الأغشية البيولوجية Les membranes biologiques

Introduction :
Les membranes sont indispensables à la vie car elles permettent aux cellules de maintenir un milieu interne différent du milieu extracellulaire. Dans les cellules eucaryotes, les membranes séparent aussi le cytoplasme en différents compartiments appelés organites subcellulaires dont la composition interne est adaptée à leurs activités biochimiques spécialisées. Les membranes biologiques permettent cette compartimentation parce qu’elles sont imperméables aux macromolécules et présentent une perméabilité sélective aux ions.

Définition :
En biologie cellulaire, la membrane désigne un assemblage de molécules en un double feuillet séparant la cellule de son environnement et délimitant les organites à l'intérieur de celle-ci1. La membrane est un ensemble complexe de lipides, de protéines et de sucres régulant les échanges de matière entre l'intérieur et l'extérieur de la cellule ou entre deux compartiments cellulaires par des transporteurs, bourgeonnement de vésicules, phagocytose, etc. Elle assure à la fois un rôle de barrière en empêchant les molécules cellulaires de partir et les molécules extérieures d'entrer librement, et un rôle de barrière en sélectionnant les éléments qui peuvent entrer ou sortir. Les composants-clé de la membrane biologique sont les phospholipides. Ils ont la capacité de s'auto-organiser en un double feuillet, leurs têtes hydrophiles pointant vers l'extérieur et leurs chaînes hydrophobes pointant vers l'intérieur.
Toutefois, ses fonctionnalités ne s'arrêtent pas là. C'est le premier élément rencontré par les molécules porteuses d'information, comme les hormones, les neurotransmetteurs ou diverses espèces chimiques importantes pour la cellule. C'est principalement la membrane qui permet à la cellule de connaitre son environnement et d'agir sur lui. La membrane est donc un organite fondamental aux fonctions multiples.
On parle de membrane plasmique, ou plasmalemme, lorsque celle-ci délimite une cellule (le milieu intérieur est alors le cytoplasme). On parle de membrane intracellulaire, ou endomembrane, lorsqu'elle délimite un organite (p.ex. membrane mitochondriale, nucléaire, lysosomiale, etc.).
Histoire :
• 1655: Robert Hooke observe pour la première fois des cellules à l'aide d'un microscope à deux lentilles. Il utilise cette appellation dans son sens original qui désigne une petite chambre.
• 1632–1723: Antoni van Leeuwenhoek observe pour la première fois des protozoaires, des bactéries et des globules rouges grâce à son microscope.
• 1813: Eugène Chevreul décrit le concept d'acide gras. Il publie en 1823 ses « Recherches chimiques sur les corps gras d'origine animale ».
• 1847: Nicolas Théodore Gobley isole la lécithine du jaune d'oeuf2. Il est de fait le découvreur des phospholipides.
• 1855: Von Nägeli et Carl Eduard Cramer créent le concept de membrane en tant que barrière pour expliquer les phénomènes osmotiques.
• 1890: Lord Raleigh réalise une série d'expériences sur l'interface eau-huile et calcule l'épaisseur d'un film d'huile à la surface d'une étendue d'eau.
• 1895-1899: Charles Ernest Overto découvre que la capacité d'une substance à traverser la membrane dépend de son caractère hydrophobe. Il formule l'hypothèse d'une membrane composée de lipides.
• 1917: Irving Langmuir étudie la structure des films d'huile à la surface de l'eau. Il formule l'hypothèse d'une monocouche d'acide gras s'orientant verticalement, le groupe carboxyl orienté vers l'eau et la chaîne alkyle orientée vers l'air.3
• 1925: Gorter et Grendel démontrent la capacité de certains lipides à former des simples et des doubles couches. Ils montrent également que la surface des lipides extraits des globules rouges est égale à deux fois la surface de ces cellules. Ils sont ainsi les premiers à formuler l'hypothèse d'une membrane cellulaire formée d'une double couche de lipides.4
• 1935: James Frederic Danielli et Hugh Davson formulent l'hypothèse d'une membrane cellulaire composée d'une bicouche de lipides en sandwich entre deux couches de protéines.5
• 1965 Bangham, Standish et Watkins synthétisent les premiers liposomes à partir de lécithine d'œuf déshydratée.6
• 1972: Jonathan S. Singer et Garth L. Nicholson repensent l'hypothèse de Danielli et Davson et décrivent le modèle de la mosaïque fluide. La membrane est toujours organisée en bicouche mais les têtes polaires des phospholipides sont directement en contact avec l'eau. Les protéines membranaires « flottent » dans ou en surface des lipides.7
• 1985: Publication de la première structure de protéine membranaire à haute résolution.8
• 1997: Kai Simons et Elina Ikonen formulent l'hypothèse des radeaux lipidiques. Les sphingolipides et le cholestérol auraient la capacité de se rassembler pour former une plate-forme d'attachement à certaines protéines membranaires.9




*L’évolution des concepts sur la structure membranaire

Différents compositions de la membrane plasmique :

1. Lipides membranaires :
Les cellules synthétisent une très grande variété de lipides qui exercent de nombreuses fonctions essentielles. Les lipides constituent la charpente des membranes biologiques, servent de signal de ciblage des protéines vers les membranes, stockent de l’énergie et véhiculent des informations aussi bien en tant qu’hormones extracellulaires que comme seconds messagers intracellulaires dans la transduction des signaux. Les lipides sont relativement faciles à reconnaître. Il s’agit de petites molécules de 100 à 1000 d environ constituées principalement d’hydrocarbones aliphatiques ou aromatiques. Il existe des centaines ou des milliers de lipides mineurs dans les cellules. L’un de ces lipides peu connus peut exercer une fonction biologique importante qui n’a pas encore été élucidée.
Ils constituent le cœur de la membrane et sont responsable de son étanchéité à l'eau et par conséquent des molécules solubles dans l'eau, ce qui constitue la majorité des molécules biologiques. Les lipides impliqués sont des phospholipides et, chez les eucaryotes, du cholestérol.




a)La Bicouche lipide :(phospholipides)
Toutes les membranes plasmiques ou plasmalemme se composent d’une bicouche lipidique, se sont des lipides amphipathiques (des phospholipides dans la plupart des cas), des protéines transmembranaires qui traversent la bicouche lipidique et des protéines périphériques qui sont associées à la surface de la bicouche. Cette bicouche se présente comme un sandwich dans lequel les chaines hydrocarbonées hydrophobes se regroupent au milieu, tandis que les groupements polaires sont situés en surface et donc
exposés à l’eau. La partie hydrophobe de la bicouche est peu perméable aux ions et sert
donc de barrière entre les compartiments.


L’épaisseur de la membrane plasmique est d'environ 7,5 nm. Le plasmalemme est qualifié de "dynamique" de par son constant renouvellement.
b) Le cholestérol :
Chez les animaux, le cholestérol est le principal stérol. Les plantes, les eucaryotes inférieurs et les bactéries ont d’autres stérols dans leurs membranes. Le cholestérol est essentiellement apolaire, mais au sein d’une bicouche, sa fonction hydroxyles en C3 est orientée vers la surface. Le cholestérol contribue à la fluidité membranaire en perturbant l’empilement des chaines hydrocarbonées dans la bicouche.
Le cholestérol est un élément essentiel du métabolisme, car il se situe au carrefour de nombreuses voies métaboliques comprenant la synthèse des hormones stéroides (telles que les oestrogénes, la testostérone et le cortisol), de vitamine D et des sels biliaires sécrétés par le foie. Le cholestérol est synthétisé à partir d’isopréne (cinq carbones) qui donne naissance à des dérivés poly-isopréniques à dix carbones, à 15 carbones et à 20 carbones. Ces dérivés poly-isopréniques servent d’ancre lipidique à de nombreuses protéines associées aux membranes. Les dérivés poly-isopréniques sont également les précurseurs du caoutchouc chez les végétaux et de cofacteurs retrouvés dans les pigments visuels (comme la vitamine A).













c)les glycolipides :
Les cellules contiennent trois sortes de glycolipides :
-les sphingolipides (qui sont prédominants) ;
-des glycolipides dérivés du glycérol comportant des chaines osidiques rattachées à la fonction hydroxyle du C3 des di glycérides ;
-les glycosylphosphatidylinositols (GPI). Certains GPI ne comportent qu’une courte chaine glucidique sur la fonction hydroxyle du C2 de l’inositol. D’autres comprennent une courte chaine glucidique qui relie le C6 du phosphatidylinositol à l’extrémité C-terminale d’une protéine.

2. Les Protéines :
Une membrane uniquement lipidique n'a aucun usage. D'une part, une telle structure est instable : les membranes peuvent fusionner, se séparer, former des embranchements. D'autre part rien ne peux la traverser (à l'exception des gaz), ni les molécules polaires qui ne sont pas solubles dans les lipides, ni les molécules apolaires qui ne peuvent pas l'atteindre car elles ne peuvent pas traverser seules le milieu aqueux qui les entoure. Or si ces propriétés sont exploitées dans la cellule, celle ci a malgré tout besoin d'une membrane stable ainsi que d'échanger des molécules avec le milieu extérieur. Ce sont les protéines qui assurent cette fonction.
Les protéines peuvent être disposées de diverses façon par rapport à la membrane : au contact de celle-ci, enchâssées dans une demi membrane ou traversant la membrane de part en part. Part ailleurs, une protéine peut être constituée de plusieurs sous-unité qui sont agencées différemment avec la membrane. Les protéines participent à la polarisation membranaire, une protéine située sur la face externe de la cellule le restera toujours, de même qu'une protéine intracellulaire. pour les protéines qui traversent la membrane (les protéines intra membranaires), les parties extracellulaires et intracellulaires seront toujours les mêmes d'un exemplaire à l'autre de la molécule. Il y a bien sûr des exceptions, certaines fonctions biologiques nécessitent des mouvements de protéines au sein de la membrane, mais il s'agit alors d'une particularité spécifique de la protéine, pas d'un aspect fondamental de la membrane.
Les protéines sont responsables de la quasi-totalité des spécificités de la membrane. Les molécules polaires ne peuvent pas traverser la membrane, ce sont les protéines qui vont s'en charger. A l'inverse, si une molécule polaire ne dispose pas d'une protéine capable de lui faire traverser la membrane, elle ne pourra pas la traverser. En choisissant ses protéines, la cellule va pouvoir choisir quelles molécules vont pouvoir entrer ou sortir. Le rôle des protéines est toutefois plus large : elles vont transmettre à l'intérieur de la cellule des informations sur le milieu extérieur, elles vont participer à maintenir la forme et la stabilité de la membrane, elles vont servir de point d'ancrage à des structures extracellulaire ou intracellulaire et elles sont à l'origine de la dynamique membranaire.

On distingue de différentes protéines avec de différentes taches :
-Des protéines transmembranaires qui traversent la bicouche lipidique.
-Des protéines périphériques qui se trouvent exposé au milieu qui entour la cellule.
-Des protéines intrinsèques qui sont insérées dans la membrane.
Mais les protéines qui on un rôle majeur sont les suivants :
a)Les protéines transmembranaires :
De nombreuses protéines transmembranaires ne présentent qu’un seul segment peptidique qui répond aux critères énergétiques d’une hélice alpha traversant la membrane. La glycophorine, protéine de la membrane des hématies, a été la première protéine de ce type à être caractérisée. Des études de résonance magnétique nucléaire ont montré que le segment transmembranaire unique de la glycophorine est une hélice alpha. Cette hélice hydrocarbonée des lipides plutôt qu’avec l’eau. Par analogie avec la glycophorine, on admet généralement que les segments hydrophobes à 25 résidus des autres protéines transmembranaires s’organisent en hélice alpha. Dans de nombreux cas, des données expérimentales supplémentaires ont confirmé que ce seul segment occupe l’épaisseur de la bicouche.
L’hélice transmembranaire de glycophrine a tendance à s’associer pour former des homodimères dans le plan de la membrane. La formation de ces dimères est favorisée par la présence de deux surfaces complémentaires d’un couple d’hélice qui interagissent plus étroitement qu’avec les lipides. L’énergie nécessaire à la réaction provient de l’augmentation d’entropie provenant de la dissociation des lipides des surfaces protéiques (phénomène comparable à l’effet hydrophobe dans l’eau).



*Cheminement des protons à travers la membrane via (par) la bactériorhodopsine



*Structure d’une protéine transmembranaire c’est la Glycophorine



b) Les protéines membranaires périphériques :
Il existe six modes de fixation des protéines périphériques à la surface membranaire. Trois types de chaines lipidiques différentes peuvent ancrer une protéine à la membrane par insertion dans la bicouche lipidique. D’autres protéines se fixent par des liaisons électrostatiques aux lipides membranaires, et certaines s’insèrent partiellement dans la bicouche lipidique. Beaucoup de protéines périphériques se lient directement ou indirectement aux protéines transmembranaires.




*Structure de deux protéines périphériques en association avec la bicouche lipidique il s’agit de la cadhérine et la caténine


3. Les glucides :
Les protéines assuraient déjà une polarisation de la membrane, mais ce rôle est principalement dévolu aux glucides. Ils vont en effets former à la surface de la membrane des structures complexes et variées, mais toujours extracellulaires. Les glucides sont accrochés à la membrane par deux moyens : ils sont fixés à la surface des protéines intramembranaires (les glycoprotéines) ou aux lipides membranes (les glycolipides).
Ces glucides ont plusieurs rôles :
Reconnaissance : les motifs glucidiques sont très antigéniques (par exemple les groupes sanguins).
Participation à l'environnement local, les glucides sont des molécules très polaires.
Renforcement de la membrane.
Chez les animaux, les glucides forment un feutrage souple appelé glycocalyx. Chez la plupart des autres cellules vivantes, les glucides forment une paroi résistante et indéformable autour de la cellule : cellulose chez les végétaux, muréine chez les bactéries, qui assure la solidité de la membrane. Cette paroi ne fait pas à proprement parler de la membrane mais elle s'y accroche par les glucides extracellulaires.

Les membranes sont des structures fluides, interface entre le milieu extracellulaire et intracellulaire que la cellule peut ajuster de façon très spécifique pour répondre à ses besoins. Elle joue à la fois un rôle de communication avec l'extérieur et un rôle de tri des molécules d'intérêt pour la cellule. Ces propriétés font de la membrane l'un des organites les plus importants de la cellule, le seul dont aucune cellule ne peut se passer, même temporairement. C'est aussi le seul que l'on soit arrivé à reproduire partiellement en laboratoire.


Le modèle de la mosaïque fluide :
Le terme de mosaïque fluide, dû à Singer et Nicholson7, est souvent employé pour décrire à la fois la composition et le comportement dynamique des membranes biologiques :
• mosaïque car la composition de la membrane est très hétérogène à la fois dans l'espace et le temps. Ainsi, l'existence de protéines intégrales (membranaires), de lipides différents (une différence de composition entre le feuillet interne et externe est aussi observée), de sucres complexes, existant 'presque' indépendamment les uns des autres, explique la dénomination de mosaïque.
• fluide car les phospholipides et les protéines membranaires peuvent se mouvoir dans le plan de la membrane. De plus, la membrane est un corps parfaitement déformable dans les 3 directions de l'espace. Par exemple, la membrane peut onduler: les phospholipides peuvent en effet exécuter trois mouvements: par diffusion latérale, par rotation, et par flip-flop.
Membrane et phase de la matière :
La membrane peut adopter différents états en fonction de la température et de la pression. Par exemple, une membrane de phospholipides purs forme une phase liquide-cristalline à 20°C et 1 bar de pression tandis qu'à -20°C elle forme plutôt une phase gel. Les mouvements latéraux sont très faciles mais les mouvements (flip-flop) d'un côté à l'autre sont rares.
Membrane et tension de surface :
Globalement, la tension superficielle d'une membrane biologique est nulle : ce n'est pas une bulle de savon qui éclate au moindre contact ! En revanche, cette tension peut être localement non nulle. D'une part, les têtes polaires des lipides, peu fluides, ont tendance à se compacter en créant localement un pic négatif de tension. D'autre part, les queues hydrophobes, très fluides, ont tendance à occuper beaucoup d'espace, créant localement un pic de tension positif. Les pics de tension positive et négative s'équilibrant, la tension superficielle globale reste nulle.

Propriétés des membranes :
Perméabilité sélective :

En premier lieu, les membranes biologiques constituent une barrière sélective entre l'intérieur et l'extérieur d'une cellule ou d'un compartiment cellulaire (organite). Elles présentent donc la propriété de perméabilité sélective, qui permet de contrôler l'entrée et la sortie des différentes molécules et ions entre le milieu extérieur et celui intérieur. Cela permet à chaque organite cellulaire, mais également à la cellule tout entière d'avoir une composition propre différant de celle extérieure.
En elles-mêmes, les membranes ne sont perméables qu'aux petites molécules hydrophobes (O2, N2, glycérol,...), par diffusion simple. Mais elles servent de support à de nombreuses protéines transmembranaires ayant pour rôle de réguler les échanges transmembranaires (ex: canaux ioniques pour les transferts d'ions, aquaporines pour le transfert d'eau par osmose, ...). Il est possible de distinguer différents types de transfert de petites molécules (masses moléculaires inférieures à environ 500-700 u) à travers la membrane :
1. Le transport passif : transport de composés sans consommation d'énergie (le long du gradient électrochimique). Il existe 2 sortes de transport passif :
o la diffusion simple : diffusion de composés directement à travers la bicouche lipidique;
o la diffusion facilitée : transport de composés à travers la bicouche lipidique grâce à une protéine de transport.


*Propriétés des trois types de protéines responsables du transport des ions et d’autres solutés à travers les membranes. Le triangle représente la concentration des gradients de Na+ (bleu) et de glucose (vert) de part et d’autre de la membrane.
2. Le transport actif : transport de composés à travers la bicouche lipidique grâce à une protéine de transport et une consommation d'énergie sous forme d'ATP (contre le gradient électrochimique).

*Exemple de l’ATPase V1 mitochondriale
Le transport à travers les membranes de molécules plus grosses se fait par endocytose (vers l'intérieur) et exocytose (vers l'extérieur).
Plus généralement, la membrane sert de barrière sélective à l'information biologique. Cette information prend la forme d'une hormone, d'un sucre, d'une protéine, etc. Elle est captée par des récepteurs membranaires, des protéines capables de reconnaître spécifiquement un composé. Cette reconnaissance enclenche un mécanisme de signalisation cellulaire aboutissant à une réaction de la cellule face au signal qu'elle a reçu.منقول