Protéines membranaires,structures et fonctions.
Céline Raguénès-Nicol. Sept 2007
1. Les membranes biologiques2. Les lipides des membranes
• Diversité• Auto-assemblage• Asymétrie et fluidité
3. Les protéines membranaires• Classes structurales• Quelques règles de structure et de
prédiction• Ancrage aux membranes• Synthèse des protéines membranaires• Grandes fonctions des protéines
membranaires
Les membranes biologiques
• 40% du volume total pour un hépatocyte• Isolées d’un extrait cellulairepar ultracentrifugation
• Épaisseur 6-10 nm• Polarité négative du feuilletintérieur
• Rôles– Isoler des compartiments– Réguler des transferts– Assurer la communication
Les membranes biologiques sont constituées de lipides et de protéines
Structure Fonctions
Les lipides des membranes
• Rôle surtout structural, mais aussi réserve d’énergie, signalisation
• Acides gras• Lipides complexes
Glycérolipides
Stérols
Sphingolipides
Phospholipides
Glycolipides
Les acides gras
acideChaîne aliphatique
palmitate
oleate
• Nombre pair de carbones: C14->C24
• Liaisons insaturées qui créent un coude dans la structure
Phosphoglycérides
glycérol
HC O
H2C
CH2
O
O
phosphate
O-
O
O P
alcool
CH2CH2H3C N+
H3C
H3C
acides gras
CH3
CH3
(CH2)14
CH
(CH2)7(CH2)7 CH
C
O
C
O palmitate
oleate
phosphatidylcholine
Glycérolipides
Phospholipides
Sphingolipides
Céramide
Sphingophospholipidessphingomyéline
SphingoglycolipidesCérébrosides, gangliosides
Diversité des phospholipides
LaurateMyristatePalmitateStéarateArachidateBehenateLignocerate
PalmitoleateOleateLinoleateLinolenateArachidonate
Nombre de doubles liaisons
0000000
11234
Nombre de carbones
12141618202224
1618181820
Différentes têtes polaires Différents acides gras
Stérols
cholestérol
HO
CH3
CH3
CH
CH3
CH2
CH2
CH2
CH
CH3 CH3
cellules animales ergostérol
cellules végétales
HO
CH3
CH3
CH
CH3
CH
CH
CH
CH
CH3 CH3
CH3
Autoassemblage des molécules amphiphiles en solution
hydrophobe hydrophile
micelles ou bicouches
Selon l’encombrement respectif des 2 parties
Membranes modèlesLiposomes
Les membranes sont diverses et dynamiques
• Différentes compositions en lipides et protéines
PhosphatidylethanolaminePhosphatidylserinePhosphatidylcholinePhosphatidylinositolSphingomyélineGlycolipidesCholesterolAutres
Réticulum endoplasmique
Membrane plasmique
Mitochondrie
7424< 11971722
35239000321
17540050630
proportion en %
Les membranes sont diverses et dynamiques
• Différentes compositions en lipides et protéines • Asymétrie entre les feuillets
membrane plasmique PhosphatidylserinePhosphatidylethanolaminePhosphatidylcholineGlycolipides
extérieur intérieur01090
100
10090100
Les membranes sont diverses et dynamiques
• Différentes compositions en lipides et protéines • Asymétrie entre les feuillets• Modèle de la mosaïque fluide (Singer et Nicholson 1972)
Coefficients de diffusion latérale:Lipides 1-2 µm2/sProtéines membranaires périphériques 1 µm2/sProtéines membranaires intrinsèques 0.1-0.5 µm2/sAttachement au cytosquelette 10-4 µm2/s
Les membranes sont diverses et dynamiques
• Différentes compositions en lipides et protéines • Asymétrie entre les feuillets• Modèle de la mosaïque fluide (Singer et Nicholson 1972)
• Diffusion confinée(Kusumi 1993)
Les membranes sont diverses et dynamiques
• Différentes compositions en lipides et protéines • Asymétrie entre les feuillets• Modèle de la mosaïque fluide (Singer et Nicholson 1972)
• Diffusion confinée (Kusumi 1993)
• Sous-compartiments membranaires
Ajout Ca2+
Regroupement des PS
Les protéines membranaires• 30 % des gènes exprimés • 50 % des cibles pharmaceutiques• 4 % des structures 3D résolues• Difficultés de purification, de cristallisation,
de reconstitution fonctionelle.
Protéines intrinsèquesDétergents ou solv. organiques
Les détergents• Molécules amphiphiles solubles qui disloquent les
membranes• Equilibre monomères / micelle
Concentration micellaire critique
[détergent] total
[dét
erge
nt] m
icel
le[d
éter
gent
] mon
omèr
e cmc
Queue hydrophobe Tête hydrophile
Aliphatiqueou
Squelette rigide
Ioniqueou
Non ionique zwitterionique
polaire
Principe d’action des détergents
Les protéines membranaires• 30 % des gènes exprimés • 50 % des cibles pharmaceutiques• 4 % des structures 3D résolues• Difficultés de purification, de cristallisation,
de reconstitution fonctionelle.
Protéines intrinsèquesDétergents ou solv. organiques
Protéines extrinsèquesSels, pH
Exemple de protéine extrinsèque liée àune protéine intrinsèque
DG : dystroglycanesSG : sarcoglycanesD, S : dystrobrévine, syntrophine
La dystrophine est ancrée au sarcolèmepar les dystroglycanes
Les protéines solubles ou membraires ont des structures inversées
myoglogine porine
aa chargésaa hydrophobes
3 environnements dans une membrane
Quelques règles
aa hydrophobesaa chargésaa aromatiquesglycosylations
Glycophorine A de l’érythrocyteTomita & Marchesi 1975
Prédiction des hélices α transmembranairesEchelle d’hydrophobicité GES
Acide aminé Energie de transfert kcal/mol
Phe F + 3,7Met M + 3,4Ile I + 3,1Leu L + 2,8Val V + 2,6Cys C + 2,0Trp W + 1,9Ala A + 1,6Thr T + 1,2Gly G + 1,0Ser S + 0,6Pro P - 0,2Tyr Y - 0,7His H - 3,0Gln Q - 4,1Asn N - 4,8Glu E - 8,2Lys K - 8,8Asp D - 9,2Arg R - 12,3
LSTTEVAMHTTTSSSVSKSYISSQTNDTHK...
Score 4,6 -2,9
0
2
1
3
-2
-1
-3
Profil d’hydrophobicité de la glycophorine A
Prédiction des hélices α transmembranairesRécepteur β2 adrénergique : 7 TM
Porine : 16 TM
Ancrage des protéines dans les membranes
polytopiques monotopiques
Bactériorhodopsine• Prototype de récepteur à 7 TM• Chez Halobacterium salinarium convertit Elum en ATP
Structure RX Pebay-Peroula 1997
Bactériorhodopsine
Représentation en roue hélicoïdale : hélices amphiphiles
B. transmembraneββββ-barrel
Porines bactériennes
Porine de Rhodopseudomonas blastica (Kreusch 1994)
Prostaglandine H2 synthase-1
Picot 1994
Prostaglandine H2 synthase-1
Boucles hydrophobesPetits peptides secrétés qui déstructurent les membranes
Sun 1997Hill 1991
défensine Cardiotoxine A5
Liaison covalente à des lipides
= Ancre GlycosylPhosphatidylInositol
Groupement farnesylou géranylgéranyl
Annexines
D1D1D2D2
D3D3D4D4
Insertion des protéines dans les membranes
Fonctions des protéines membranaires
Par quelques exemples
Signalisation : Récepteurs couplé aux protéines G
Conversion d’énergie :
Transport : Transporteurs ABCCanal potassiumAquaporines
Centre réactionnel photosynthétiqueATP synthase
GPCR : Rhodopsine• Protéine à 7 TM • GPRC : 950 gènes chez homme, 30 % des cibles
pharmaceutiques• ROS dans les bâtonnets de la rétine
Face intradiscale
Face cytosoliquePalczewski 2000
Rhodopsine
Rhodopsine
Centre réactionnel photosynthétiquede Rhodopseudomonas viridis
• 1ère structure 3D de protéine mbHuber, Deisenhofer, Hartmut 1985
• 4 sous-unités cytochrome c,Chaines L et M (5TM), H (1TM)+ gp prosthétiques
ATP synthase mitochondriale
Structure du domaine F1 1996, du rotor 1999 , du stator 2006 (gp Walker)
ATP synthase mitochondriale
ATP synthase mitochondriale
Les bicouches lipidiques sont imperméables aux molécules polaires
gaz
Les protéines membranaires sont indispensables pour le transport des éléments nécessaires à la cellule
Molécules hydrophobesions Grosses molécules
non chargéesPetites molécules
non chargées
Eauglycérol
Glucose, aa, nucl.
Transport membranaire
• Transport passif : selon le gradient de concentrationPorines bactériennes
• Transport actif : contre le gradient, hydrolyse d’ATPTransporteurs ABCCanaux ioniques
• Transport facilité : accélération du transport dans le sens du gradient
Aquaporines
Transporteurs ABCATP Binding Cassette
Mobdylate transporteur d’Archaeglobus fulgidus
Hollenstein 2007
Sav1866, MDR de S. aureusDawson 2006
Canal potassium
Gp MacKinnon 1998Ksa K+ channel
Canal potassium : sélectivité
Canal potassium : régulation
MthK Ca2+-dépendantgp MacKinnon 2002
aquaporine
Jonctions
« Radeaux » lipidiques
http://www.unifr.ch/anatomy/elearningfree/francais/epithel/epithel05.ht