Biologie cellulaire

La membrane plasmique

• Généralités

• La membrane plasmique est une enveloppe continue qui sépare le milieu extracellulaire du milieu intracellulaire
• Elle constitue une frontière par laquelle la cellule interagit avec son environnent
• Elle présente 5 caractéristiques

• C’est une bicouche de lipides
• Des édifices macromoléculaires de nature protéique et/ou glycoprotéique sont insérés dans la bicouche
• La membrane plasmique est organisée de manière asymétrique
• La membrane plasmique ne présente pas une composition chimique homogène
• La membrane plasmique est en continuité transitoire avec le système endomembranaire (RE, appareil de golgi…) dont les membranes d’enveloppe ont une organisation très comparable et qui contribue à sa biosynthèse et à son renouvellement.

• La membrane plasmique est composée très majoritairement de lipides et de protéines

• Les lipides constituent environs la moitié du poids sec de la membrane plasmique

• Le premier type de lipides membranaire est celui des phopholipides
• Le cholestérol est aussi un composé abondant des membranes plasmiques

• Les protéines constituent environ la moitié du poids sec de la membrane plasmique

• Les protéines intégrales ne peuvent être détachées de la bicouche lipidique que sous l’action de détergents ou de solvants organiques qui la détruisent
• Des protéines sont ancrées dans la bicouche lipidique par un ou plusieurs acides gras
• Les protéines périphériques interagissent avec les domaines cytosoliques ou extracellulaires des protéines transmembranaires ou avec des lipides de la face cytosolique de la bicouche lipidique et avec le cytosquelette

• Les sucres sont présents en faibles quantités

• Ils peuvent être mis en évidence en microscopie en utilisant des colorants signalétiques ou à l’aide des lectines, molécules qui reconnaissent spécifiquement de courtes séquences glucidiques.
• Ils sont toujours liés a des protéines (sous forme de glycoprotéine) ou à des lipides (sous forme de glycolipides)
• Ils sont toujours situés sur le versant extracellulaire de la membrane plasmique
• Les exemples suivant illustrent les rôles variés des sucres.

• Architecture fonctionnelle de la membrane plasmique

• Les lipides sont organisés en une bicouche englobant les protéines intrinsèques

• La démonstration en a été apportée dans les années 1925 grâce à une expérience utilisant les hématies/globules rouges.
• La technique de cryofracture a montré l’existence de protéines transmembranaires

• La membrane plasmique est asymétrique

• La composition lipidique de chacun des deux feuillets est différente
• Les chaines oligosaccharidiques des glycoprotéines et des glycolipides sont situées sur le versant extracellulaire
• Les liaisons disulfures –S-S- entre les résidus cystéine des protéines sont toutes situées dans le domaine extracellulaire de ces protéines
• L’association des constituants de la membrane au cytosquelette se fait sur la face cytosolique avec intervention de protéines périphériques spécialisées.
• Cette asymétrie dans le sens transmembranaire se complique d’une hétérogénéité de composition en protéines et lipides dans le plan de la membrane plasmique.

• La membrane plasmique présente des mouvements de ses constituants à l’échelle moléculaire

• Les mouvements spontanés des lipides sont étudiés graves a des vésicules lipidiques artificielles ; les liposomes. Les globules rouges débarrassés de leur contenu cytosolique (fantômes/ghost) permettent l’étude de ces mouvements dans les membranes cellulaires.
• Les mouvements des protéines intrinsèques peuvent être étudiés (in vivo) par des méthodes de marquage des protéines en immunofluorescence
• Les mouvements de certaines protéines transmembranaires peuvent être limités ou interdits par plusieurs mécanismes qui peuvent par ailleurs se combiner.

• La membrane plasmique présente des modifications de sa composition chimique par disparition ou clivage enzymatique (in situ) de certains de ses lipides et protéines

• Les protéines transmembranaires ancrées par un GPI peuvent être clivées (in situ) par des protéases.
• Certains phospholipides de la face cytosolique sont clivés par des enzymes spécialisées, les phospholipases
• D’autres phospholipases clivent l’inositol du groupement GPI qui lie certaines glycoprotéines à la face extracellulaire de la membrane plasmique
• Les protéines ancrées sur la face cytosolique par un acide gras peuvent repasser dans le cytosol

• Des régions de la membrane permettent l’augmentation de sa surface d’échange avec le milieu extracellulaire

• Les microvillosités et les stéréocils
• Les cils
• Les replis de la membrane du pôle épithéliales polarisés

• La membrane plasmique joue 4 rôles majeurs

• La communication intercellulaire par l’intermédiaire de signaux chimiques
• L’adhérence des cellules entres elles et à la matrice extracellulaire fait intervenir des molécules spécialisées de la membrane plasmique
• Les phénomènes de transport au travers de la membrane plasmique peuvent être divisés en deux grands groupes

• Les transports qui ne nécessitent pas de mouvements membranaires : ils se déroulent à l’échelle moléculaire et non à l’échelle cellulaire.
• Ceux qui nécessitent des mouvements membranaires, observables au microscope ; ce sont les phénomènes d’endo/exocytose.

• La motilité cellulaire fait intervenir le cytosquelette et la membrane plasmique au travers de l’endo-exocytose et des phénomènes d’adhérence

•   Membrane plasmique et adhérence intercellulaire ou entre cellule et matrice extracellulaire

• Introduction

• Les molécules d’adhérence sont des glycoprotéines de la membrane plasmique
• Les molécules d’adhérences ont été classées en deux type, selon la nature des molécules avec lesquelles elles interagissent
• La mise en jeu des molécules d’adhérence (de répulsion) déclenche dans les cellules l’apparition de signaux mécaniques et chimiques.
• Les molécules d’adhérence appartiennent à plusieurs superfamilles de glycoprotéines membranaires
• Deux critères fonctionnels permettent de classer les molécules d’adhérence
• Les molécules d’adhérence sont impliquées dans de nombreuses pathologies, congénitales ou acquises, chez l’Homme.

• Les CAM de la superfamille des immunoglobulines (Ig)

• Le modèle type en est NCAN (Neural Cell Adhesion Molecule)
• La superfamille des immunoglobines comporte de très nombreuses molécules
• Superfamille des immunoglobines et pathologies humaines

• Les Cadhérines constituent une deuxième superfamille de CAM

• La présence de Calcium extracellulaire est indispensable à l’adhérence
• Les cadhérines sont aussi des glycoprotéines intégrales à un seul domaine transmembranaire
• Cadhérines set pathologies humaines

• Les Sélectines constituent une troisième famille de CAM

• Les sélectines sont des glycoprotéines intégrales à un seul domaine transmembranaire, qui reconnaissent les adressines, en présence de Ca++ dans le milieu extracellulaire
• Les sélecines apparaissent à la surface des leucocytes, des plaquettes sanguines et des cellules endothéliales des capillaires sanguins, après stimulation des cellules
• Les sélectines sont impliquées dans des pathologies humaines

• Les Intégrines jouent à la fois le rôle de CAM et de SAM

• Les intégrines sont l’association de 2 sous unités α et β possédant chacune un seul domaine transmembranaire
• Les intégrines se fixent à deux types de molécules
• L’adhérence via les intégrines nécessite la présence de Ca++ dans le milieu extracellulaire et induit des modifications intracellulaires (transduction mécano-chimique)
• Distribution des intégrines
• Intégrines et pathologies humaines

• Les jonctions intercellulaires sont des domaines de membrane spécialisés pour l’adhérence intercellulaire ou avec la matrice extracellulaire

• Quelques notions importantes
• Les jonctions peuvent être classées selon deux critères ; leur forme et la largeur de l’espace extracellulaire
• La jonction serrée (ZONULA OCCLUDENS) est caractéristique de la cellule épithéliale polarisée
• La jonction communicante (JONCTION GAP) est le deuxième espace de jonction avec espace intercellulaire étroit
• La jonction intermédiaire (ZONULA ADHERENS) constitue, comme la jonction serrée, une bande continue entourant toute  la cellule, mais avec un espace intercellulaire large
• Le desmosome (MACULA ADHERENS) présente, comme la jonction communicante, une forme arrondie, mais avec un espace intercellulaire large
• Les hémi-desmosomes sont présents sur la membrane plasmique des cellules en contact avec la lame basale
• Le complexe de jonctions est caractéristique de nombreux épithéliums unistratifiés polarisés
• Un exemple de la physiologie des CAM et des jonctions intercellulaires : la diapédèse des leucocytes

• Les phénomènes de transports sans mouvement de la membrane plasmique

• Ces transports sont classés selon deux critères distincts *

• Le mécanisme de transport consomme de l’énergie ou non
• La présence ou non d’une perméase

• Les transports passifs sans perméase

• C’est le phénomène de diffusion simple, sans consommation d’énergie
• Ce transport s’effectue selon la direction du gradient de concentration, c’est-à-dire du milieu le plus concentré vers le milieu le moins concentré.

• Les transports passifs avec perméase

• Ils se déroulent sans consommation d’énergie grâce à l’intervention d’une protéine transmembranaire ou d’un complexe macromoléculaire formé de plusieurs protéines membranaire
• Ces transports se déroulent dans les deux sens, selon la direction du radient de concentration, c’est-à-dire du milieu le plus concentré vers le milieu le moins concentré
• Les transporteurs passifs de molécules
• Les canaux ioniques permettent le transport des ions et des molécules d’eau qui les entourent

• Les transports actifs avec perméase

• Ils présentent les 3 caractéristiques suivantes :
• Le transport actif couplé à une ATPase
• Le transport actif couplé à un transport passif d’ion est le co-transport

• Le transport des ions au travers de la membrane plasmique génère le potentiel de membrane ou potentiel de repos

• Le transport des ions explique leur gradient de concentration entre le cytosol et le milieu extracellulaire
• L’existence du gradient de concentration de ions, l’activité de la Na/K ATPase induisent le transport des ions et donc des charges électriques

• Les phénomènes de transport nécessitant des mouvements de la membrane plasmique : le transport des macromolécules

• Quelques définitions

• L’endocytose est le terme général décrivant le phénomène par lequel la cellule transfert une fraction de volume de l’espace extracellulaire qui l’entoure et une portion de la membrane plasmique à un compartiment membranaire intracellulaire
• Le phénomène inverse est appelé exocytose
• Endocytose et exocytose nécessitent l’intervention de synthèse endomembranaire, du cytosquelette et consomment de l’énergie
• Endocytose et exocytose se produisent en permanence à la surface des cellules

• L’endocytose

• Les 3 critères suivants permettent une classification des phénomènes d’endocytose
• Selon ces 3 critères, 2 types d’endocytose peuvent être décrits

• L’exocytose
• Mécanismes communs et rôle de l’exo/endocytose

• Biosynthèse et renouvellement de la membrane plasmique

• Ce phénomène de renouvellement est permanent
• Les étapes de la biosynthèse et du renouvellement de la membrane plasmique
• Le fonctionnement cellulaire normal provoque l’apparition de « déchirures mécaniques » de la membrane plasmique qui doivent être immédiatement réparées pour éviter la mort cellulaire
• Des déformations localisées et transitoires de la membrane plasmique sont utilisées par la cellule pour explorer son environnement  et se déplacer ou pour une modalité de communication intercellulaire

...