ATP - La Fed

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)
TM: 5 nm
Après Cryofracture
QCM 1
Les lipides
Glycérophospholipides
(< glycérol) +++
Phospholipides
Lipides
membranaires
Glycolipides
Cholestérol
50% masse de la membrane
Synthèse par le Réticulum Endoplasmique
Sphingolipides ++
(< sphingosine)
JP Cristol – cours sur les lipides
« Lipides complexes »
Phospholipides
Molécules amphiphiles: 1 pôle hydrophile et 1 pôle hydrophobe
Acides
Gras
Fluidité membranaire: Longueur et doubles liaisons des AG
Phospholipides
éthanolamine
sérine
choline
Signalisation+++
Phosphatidylinositol
(4,5 biphosphate)
(F)
Le cholestérol
- Indispensable à la
fluidité membranaire,
- Maintient la cohésion
des radeaux lipidiques
QCM 1
Propriété des Phospholipides
QCM 1 – QCM6
Organisation micellaire
Fig. 3. 12 : organisation spontanée de la bicouche lipidique
QCM 3 – QCM 6
Mouvements des lipides dans la membrane
Fluide +++
(ns)
(µs)
(mn)
Enzymes (scramblase, Flippase)
QCM 3
Asymétrie de la
membrane plasmique
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
Glycocalix =
revêtement
glucidique
- Protection de la
cellule
- Phénomènes de
reconnaissance
cellulaire
- Propriétés
électriques
Toujours à l’extérieur
QCM 3
Composition des Membranes:
Variable selon les membranes
QCM 4
Les radeaux lipidiques
Radeau lipidique
Milieu
extracellulaire
Lectines
Protéine
ancréee GPI
Glycolipides
Sphingolipides
Cholesterol
Cytosol
Signal
QCM 4
Les
radeaux
lipidiques
QCM 5
Protéines transmembranaires
Protéines périphériques
NB: mouvements des protéines dans la membrane plasmique, libres ou ± limités
Structures IIaires
Protéines trans-membranaires
QCM 5
Hélice α hydrophobe :
1 - 20 à 30 AA hydrophobes
2 - Liaisons peptidiques hydrophiles INTERNES
Protéines périphériques
QCM 2, 5
Six modes de fixation des protéines périphériques
extracellulaire
intracellulaire
(Cavéoline)
cadhérines
Protéines liées à la membrane plasmique par des
acides gras
QCM 4, 5, 6
Milieu extracellulaire
GPI: toujours à l ‘extérieur
(dans radeaux lipidiques)
Cytoplasme
Isoprénylées, myristoylées:
toujours à l’intérieur
Protéines de la signalisation:
Src tyrosine kinase, Ras
(GTPase) +++
Perméabilité membranaire
QCM 1, 7
Les mouvements au travers de
la membrane plasmique
Molécules
hydrophobes
Passent
Petites molécules
polaires non
chargées
Passent peu
Grandes molécules
polaires non
chargées (> 150 Da)
Passent encore moins
Ne passent pas
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)
QCM 7
gradient
Les différents modes de transport à travers la
membrane plasmique
3-Canal
1-Pompe
ATP
2- Transporteur
ADP
Vitesse (ions/s)
100
<1000
Gradient
Contre
dans le sens*
Energie
Oui
Mod. Conform.
Oui
Non/oui*
*peut véhiculer un autre soluté contre le gradient
Oui
106
dans le sens
Non
Oui
(cf inactivation)
Propriétés de la membrane plasmique
Il existe une différence de concentration d’ions de part
et d’autre de la membrane plasmique
Cytosol (intracellulaire)
K+
+++
Milieu extracellulaire
+
Na+
+
+++
Cl-
+
+++
Ca++
Mg2+
+ (10-7/-4M)
+
variations locales
++
++
Propriétés de la membrane plasmique
Il existe une différence de concentration d’ions de part
et d’autre 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)
Propriétés de la membrane plasmique
Il existe une différence de potentiel (DDP) au niveau de
la membrane cellulaire – Indispensable à sa survie
+
Extracellulaire
++ +++ + + + + + + + +
DDP ∼ -70 mV
Double couche
lipidique
(variable selon les cellules)
Intracellulaire
DDP: générée par l’action conjuguée des différents canaux ioniques et des
pompes
Dépolarisation de la membrane
potentiels électriques (canaux)
Propriétés de la membrane plasmique
Il existe une différence de potentiel (DDP) au niveau de
la membrane cellulaire – Indispensable à sa survie
1- Les Pompes
QCM 8
1- Les Pompes
gradient
Pompe
Energie:
Lumière: bactéries, archéobactéries+++
ATP
pompes à protons
ATP:
ADP
3 classes de pompes fonctionnant avec l’ATP
protons
ions
- ATPases de type F (et V) : F0F1-ATPases et V0V1-ATPases
- ATPases de type P: ATPases E1E2
- Transporteurs ABC
!
cations (Na+, K+; H+, Ca++)
petites molécules
gradient
1- Les Pompes
Pompe
Energie:
Lumière: bactéries, archéobactéries+++
ATP
ADP
pompes à protons
Retinal (chromophore)
lié à la bactériorhodopsine (protéine)
photons
Changement conformationnel du rétinal
Changement conformationnel
de la bacteriorhodopsine
Transport de H+ (selon gradient) (hors de la cellule)
Energie du gradient de H+
ATP
(ATP synthétase)
1- Les Pompes (ATP)
gradient
Pompe
Energie:
ATP:
ATP
ADP
1- Les Pompes (ATP)
gradient
Pompe
ATPases de type F (et V) : F0F1-ATPases et V0V1-ATPases
ATP
ADP
protons
ATPases de type F: F0-F1 ATPases
appelées également ATP synthases (utilisation du gradient de H+ pour synthétiser de l’ATP)
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
Pour re-situer: cours de S. Delbecq
La chaîne respiratoire de la mitochondrie ou respiration oxydative
Oxydoréduction
ATP
O2
CO2
(+ H2O)
Acides aminés, sucres simples
Substrats venant du cytosol
Fatty acid: acides gras
Pour re-situer: cours de S. Delbecq
La chaîne respiratoire de la mitochondrie ou respiration oxydative
F0-F1 ATPases
1- Les Pompes (ATP)
QCM 9
gradient
Pompe
ATPases de type F (et V) : F0F1-ATPases et V0V1-ATPases
protons
ATP
ADP
ATPases de type V : V0-V1 ATPases
Interviennent dans l’acidification des endosomes, lysosomes
Pas de synthèse d’ATP
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
Pi
Fonction
Acidification:
transport de H+ dans le compartiment ou à l’extérieur
Gradient de H+:
source d’énergie pour d’autres transports
1- Les Pompes (ATP)
gradient
Pompe
ATP synthétase F1
ATP
δ
F1
αα α α α
β
H+
couplage
b
γε
ADP
ATP
ADP
+P
Matrice mitochondriale
C
F0
a
H+
F0 = transport des protons (H+)
F1 = synthèse de l’ATP
Espace intermembranaire
1- Les Pompes (ATP)
QCM 7
ATPase V1
α α αA
B
V1
H+
DE
Vph1
ATP
ADP
+P
cytoplasme
C
V0
H+
V0 = H+
V1 = ATPase
Lumière vacuolaire
ou milieu extracellulaire
QCM 10
1- Les Pompes (ATP)
gradient
Pompe
ATP
ATPases de type P (ATPases E1E2)
-P
ADP
Cations (Na+, K+; H+, Ca++)
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++)
gradient
QCM 8
1- Les Pompes (ATP)
ATPases de type P: ATPases E1E2
La pompe Na+/K+
Pompe
ATP
ADP
Cations (Na+, K+; H+, Ca++)
(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++)
QCM 8
La pompe Na+/K+
Cytosol
K+
(intracellulaire)
(ATPase Na+K+ )
Milieu extracellulaire
+++
+
Na+
+
+++
Cl-
+
+++
Ca++
+ (10-7/-4M) variations locales
Mg2+
++
+
ATPase Na+ / K+
- Contre le gradient:
+
++
3Na+
nécessite de l’énergie +++
2K+
Energie ++
(ATP)
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)
QCM 11
1- Les Pompes (ATP)
gradient
Pompe
Transporteurs ABC:
- Plus grande famille de transporteurs couplés à l’ATP
ATP
ADP
- ABC = ATP Binding Cassette (ABC = domaine ATPase)
-Transport d’ions et de petites molécules (acides aminés, mono et polysaccaharides, 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
QCM 12
2- Les Transporteurs
gradient
Transporteur
- 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 côté
cytosolique (cf schéma TM)
- Réversibles:
Modifications conformationnelles réversibles
Fonctionnent dans les deux sens, en fonction du gradient de concentration
QCM 12, 13
Structure des protéines de transport
Transporteur à 12 hélices
Transporteur à 6 hélices
Modèles hypothétiques du mécanisme de transport
par réorientation des hélices transmembranaires
glucose
Ouverture du pore
vers l’extérieur
Modification
Conformationnelle
réversible
C
Liaison du glucose
dans le pore
N
N
C
Extrémités N et C terminales
en intra-cytosolique
Ouverture du pore
vers l’intérieur
QCM 12-13
2- Les Transporteurs
Trasnport selon le gradient de concentration:
Diffusion simple / Diffusion facilitée (transporteurs)
Diffusion facilitée:
Transporteurs
Saturation du
transporteur
GLUT1
Diffusion simple
2- Les Transporteurs
QCM 12-13
gradient
Transporteur
3 modes de transport
Transported molecule
Diffusion
facilitée
Diffusion facilitée:
Transporteurs
Saturation du
transporteur
- Une molécule est transportée dans
le sens du gradient de concentration
→ Energie
Diffusion simple
- L’autre molécule est transportée
contre son gradient de concentration
QCM 10-11
2- Les Transporteurs
Symport et antiport
gradient
QCM 12-13
2- Les Transporteurs
Transporteur
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+)
gradient
QCM 12-13
2- Les Transporteurs
Exemple du glucose dans l’entérocyte
Transporteur
Domaine apical
Lumière
intestinale
Concentration en
glucose faible
Domaine latéral
Concentration en
glucose forte
ATPase
Na+/K+
Domaine basal
Concentration en
glucose faible
Espace tissulaire d’échange avec le compartiment sanguin
gradient
QCM 12-13
Transport
Glc
Contre
gradient
2- Les Transporteurs
Exemple du glucose dans l’entérocyte
Lumière
intestinale
Concentration en
glucose faible
Symport
Glc/Na++
(SGLT1)
Concentration en
glucose forte
Uniport Glc
Sens du
gradient
Transporteur
(idem GLUT1 du
globule rouge)
ATPase
Na+/K+
Concentration en
glucose faible
→ Permet l’absorption du Glc
3- les Canaux
gradient
QCM 14
3- Les Canaux
Canal
- 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
gradient
3- Les Canaux
QCM 14
Canal
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;
Canal potassique KcsA
de Streptomyces lividans
Canal potassique KcsA
de Streptomyces lividans
S6
S5
S1 S2
Structure boucle et hélice courte
nommée P car impliquée dans la
perméabilité du pore
S3 S4
S5
Structure du canal mécanosensible MscL
de Mycobacterium tuberculosis
Structure boucle et hélice courte
nommée P car impliquée dans la
perméabilité du pore
S6
N
C
N
N
C
P: contrôle la
perméabilité
C
gradient
QCM 15
Canal
3- Les Canaux: activation
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)
K+
Fermé
Gating
Ouvert
Inactivation par la
structure sphérique
gradient
QCM 16
3- Les Canaux
Canal
Canal potassique KcsA
de Streptomyces lividans
Milieu extracellulaire: A
Partie apolaire de la
bicouche lipidique: D
Structure boucle et hélice courte
nommée P car impliquée dans la
perméabilité du pore
Zone de contrôle de la
perméabilité membranaire: E
N
C
Milieu intracellulaire:
Extrémités N et C
terminales: C
gradient
QCM 14
3- Les Canaux: activation
Classification par “gating”:
ce qui ouvre et ce qui ferme
les canaux
Canal
gradient
Canal
3- Les Canaux: activation
QCM 17
Voltage
dépendant
Liganddépendant
(extraC)
Liganddépendant
(intraC)
Mécanosensibles
fermé
ouvert
Ligands: ATP,
neurotransmetteurs
(acétylcholine,
- Ligands:
sérotonine,GABA…)
Ca++, GMPc…
- Canaux sodiques et potassiques
(potentiels d’action)
- Canaux calciques
CanauxMscL:
s'ouvrent en réponse
à un étirement de la
membrane plasmatique
gradient
Canal
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
3- Les Canaux
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.
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
Nœud de Ranvier
Gaine de myeline
Vitesse de propagation du potentiel d’action +++
gradient
3- Les Canaux
QCM 18
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)
Canal
gradient
QCM 15
Canal
3- Les Canaux
Canaux sodiques épithéliaux: absorption de Na+ par le rein
apical
lumière
Concentration en
Na+ forte
Canal Na+
Canal
Concentration en
Na+ faible
ATPase
Na+/K+
Baso-latéral
Cellule
rénale
ATPase
Na+/K+
Concentration
Concentrationen
en
glucose
Na+ forte
faible
sang
QCM 18
3- Les Canaux
Syndrome de Liddle
Allongement du temps d'ouverture des
canaux sodiques épithéliaux.
Syndrome de Liddle:
Allongement du temps
d’ouverture des canaux Na+
Rein
réabsorption ++
Na+ et eau
Hypertension artérielle
gradient
3- Les Canaux
QCM 19
Canaux régulés par des ligands intra cellulaires
Canal cationique contrôlé par les nucléotides cycliques ou par le Ca++
Région régulatrice P de la
perméabilité du canal: A
S1
N
S2
S3
S4
S5
S6
Segment transmembranaire
du canal:B
Site de liaison du
Complexe Ca-calmoduline
Site de liaison du complexe
calmoduline-Ca++ des canaux
Ca++ dépendants: D Domaine de liaison
C
du nucléotide cyclique
Nucléotide cyclique qui ouvre le canal.
Canal