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Quelle est l'épaisseur de la membrane si seules des hélices alpha sont incrustées d'une protéine transmembranaire ?

Quelle est l'épaisseur de la membrane si seules des hélices alpha sont incrustées d'une protéine transmembranaire ?


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La représentation d'une protéine transmembranaire est donnée. Calculez l'épaisseur de la membrane si seules des hélices alpha y sont intégrées. Un tour = 5.4Å

S'il vous plaît lire: La raison pour laquelle je n'ai pas soumis ma tentative est que, j'ai pensé parce qu'il n'y a pas de description exacte et précise de la molécule de protéine et aussi la question est vague alors j'ai hésité. J'ai compté le nombre de tours, c'est-à-dire 7 mais il y avait toujours un doute persistant « et si je me trompais, je me ridiculiserais ».

Ce que je sais:

  1. Protiens essentiellement un tas d'acides aminés liés par une liaison polypeptidique.
  2. La structure primaire est la séquence des acides aminés.
  3. La structure secondaire est due à la liaison hydrogène entre les atomes d'oxygène ayant une charge partielle -ve et l'atome d'hydrogène attaché à l'azote, dans le squelette uniquement. ex : hélices alpha, feuilles bêta, virages, boucles
  4. La structure tertiaire est due à l'interaction entre les différents groupes R dans les acides aminés. Comme les liaisons disulfure, les interactions hydrophobes, les liaisons H, les forces de Vanderwaal.
  5. La structure quaternaire est due à la structure 3D globale qui résulte de l'agrégation des sous-unités polypeptidiques.

S'il vous plaît, allez-y doucement, c'est la première fois que je poste ici et je suis toujours en 1ère année à l'université et la 2e Sem va commencer la semaine prochaine.


La question commence par vous dire que seules les hélices alpha sont incrustées dans la membrane. Cela signifie que si vous pouvez calculer la longueur des hélices alpha, vous pouvez déterminer l'épaisseur de la membrane dans laquelle elles sont intégrées.

Les hélices alpha ressemblent à des spirales (semblables aux formes de pâtes fusilli). Ceux-ci sont mis en évidence dans la figure A) ci-dessous.

La question vous dit également que chaque tour de l'hélice alpha est de 5,4 angströms. Un tour si illustré à la figure B) ci-dessous.

En regardant l'image, il semble que chaque hélice fait environ 7 tours de long. Comme chaque tour est de 5,4 A, la longueur des hélices doit être d'environ 7 * 5,4 A soit 37,8 A.

Par conséquent, en utilisant l'information selon laquelle la membrane doit être à peu près aussi épaisse que les hélices des protéines transmembranaires sont longues, vous pouvez en déduire que la membrane doit avoir une épaisseur allant jusqu'à 37,8 A, mais la membrane peut ne pas être aussi épaisse que la question de l'article ne précise pas combien d'hélices alpha sont noyées dans la membrane (60%, 80%, 100% ?). Je suppose que l'hypothèse est que toute la section de l'hélice alpha de la protéine transmembranaire est entièrement intégrée dans la membrane.


Interactions lipides-protéines dans les membranes biologiques : une perspective structurale

Les molécules lipidiques liées aux protéines membranaires sont résolues dans certaines structures à haute résolution de protéines membranaires. Une analyse de ces structures fournit un cadre dans lequel analyser la nature des interactions lipides-protéines au sein des membranes. Les protéines membranaires sont entourées d'une enveloppe ou d'un anneau de molécules lipidiques, équivalent à la couche de solvant entourant une protéine hydrosoluble. La bicouche lipidique s'étend jusqu'à la protéine membranaire, avec une épaisseur uniforme autour de la protéine. La surface d'une protéine membranaire contient de nombreuses rainures et protubérances peu profondes auxquelles les chaînes acyle gras des lipides environnants se conforment pour fournir un compactage serré dans la membrane. Une molécule lipidique individuelle restera dans l'enveloppe annulaire autour d'une protéine pendant seulement une courte période de temps. La liaison à la coque annulaire présente une spécificité structurelle relativement faible. En plus du lipide annulaire, il existe des preuves d'autres molécules lipidiques liées entre les hélices alpha transmembranaires de la protéine, ces lipides sont appelés lipides non annulaires. L'épaisseur moyenne du domaine hydrophobe d'une protéine membranaire est d'environ 29 A, quelques protéines ayant des épaisseurs significativement inférieures ou supérieures à la moyenne. L'inadéquation hydrophobe entre une protéine membranaire et la bicouche lipidique environnante ne conduit généralement qu'à de petits changements dans l'épaisseur de la membrane. Les adaptations possibles de la protéine pour minimiser les mésappariements comprennent l'inclinaison des hélices et la rotation des chaînes latérales aux extrémités des hélices. Le tassement des hélices alpha transmembranaires dépend de la longueur de chaîne des phospholipides environnants. La fonction des protéines membranaires dépend de l'épaisseur de la bicouche lipidique environnante, parfois de la présence de phospholipides spécifiques, généralement anioniques, et parfois de la phase du phospholipide.


Types de protéines membranaires

En fonction de leur emplacement et de leur structure, les protéines membranaires sont généralement classées dans les groupes suivants :

Protéines intégrales

Ils se réfèrent au protéines intrinsèques, qui recouvre complètement la membrane bicouche phospholipidique. Transmembranaire ou les protéines intégrales ont des domaines dans le cytoplasme et vers les extrémités extracellulaires de la bicouche lipidique.

Ils ont soit plusieurs segments couvrants et contribuent à environ 25-30% de toutes les protéines codées. Les protéines intégrales sont amphipathique dans la nature, comprenant à la fois des régions hydrophiles et hydrophobes.

La partie intermédiaire de la bicouche phospholipidique montre une caractère hydrophobe, tandis que le reste de la pièce (dépassé vers l'extérieur) montre comportement hydrophile. En raison de la fluidité membranaire, ils se déplacent latéralement à l'intérieur de la membrane cellulaire biologique.

Ils sont fermement attachés à la membrane cellulaire. Ainsi, les protéines intégrales ne sont pas facilement séparables et nécessitent un traitement détergent ionique et non ionique (comme FDS et Triton X-100). Le SDS dénature la structure des protéines, tandis que le Triton X-100 n'altère pas la conformation des protéines.

Par conséquent, la solubilisation des protéines intégrales par les détergents nous aide à étudier la composition des acides aminés, le poids moléculaire et d'autres propriétés physico-chimiques. Les protéines intégrales peuvent être monotopes et polytopiques, selon le nombre d'hélices alpha.

  • Monotope les protéines intégrales possèdent une seule hélice alpha enroulée.
  • Polytopique les protéines intégrales possèdent des combinaisons d'hélices alpha enroulées.

Toutes les protéines transmembranaires n'ont pas d'hélices alpha, seules quelques-unes ont des feuilles de tonneau bêta. Glycophorine-A est le meilleur exemple d'une protéine intégrale trouvée dans les érythrocytes comprenant 131 résidus d'acides aminés et principalement des glycoprotéines.

Les protéines transmembranaires ont des hélices alpha, qui contiennent généralement 21 à 26 résidus d'acides aminés hydrophobes. ils subissent enroulement pour former une hélice alpha et faciliter l'enjambement de la membrane bicouche.

Peu de protéines transmembranaires sont constituées de brins bêta disposés en antiparallèle, appelés barils bêta. Les barils bêta de Porin contiennent 16 feuillets bêta antiparallèles brins avec un intérieur hautement hydrophile et un extérieur hydrophobe.

Protéines périphériques

Ils se réfèrent au protéines extrinsèques, qui s'associent à la bicouche lipidique par de faibles interactions électrostatiques et de liaisons hydrogène. Les protéines périphériques sont facilement séparable sous l'exposition de pH élevé et de traitement avec une concentration élevée en sel.

Elles sont situé directement sur les têtes polaires de la membrane bicouche phospholipidique ou indirectement sur les canaux transmembranaires. Les protéines périphériques aident à l'ancrage, au support cellulaire et à la transmission des signaux transmembranaires.

Il ne s'interface pas avec la membrane cellulaire’s noyau hydrophobe. Les protéines périphériques sont hydrosolubles et présentes en plus grand nombre que les protéines intégrales. Les protéines extrinsèques sont moins mobiles.

Protéines à ancrage lipidique

Ils se réfèrent au protéines liées aux lipides, qui se lie de manière covalente à la membrane lipidique soit par une chaîne d'acide gras, un groupe prényle ou souvent via un complexe oligosaccharidique. Les protéines périphériques se fixent à la membrane lipidique par une liaison glycosylphosphatidylinositol pour constituer "Protéines ancrées GPI”.

Les protéines liées aux lipides ont la propriété caractéristique d'être situées de part et d'autre de la membrane cellulaire biologique. Ils appartiennent à la classe des "Protéolipides”.

Les protéines prénylées, acylées grasses et liées au glycosylphosphatidylinositol sont les trois types distincts de protéines ancrées dans les lipides. Les protéines à ancrage lipidique possèdent plusieurs groupes lipidiques et servent d'enzymes hydrolytiques, de molécules d'adhésion, de protéines réceptrices, etc.

Fonctions des protéines membranaires

La teneur en lipides de la membrane cellulaire aide à former un barrière semi-perméable entre l'environnement et protoplasme. Ainsi, les protéines de transport permettent l'afflux et l'efflux de solutés particuliers.

Certaines protéines de transport transportent activement les divers ions et molécules à travers la barrière sélective en modifiant leur conformation et en hydrolysant une molécule à haute énergie ATP.

Les protéines membranaires possèdent également des complexes enzymatiques, qui effectuent les étapes séquentielles au cours de différentes voies métaboliques. Ils interviennent également dans la transduction du signal ou relais de signal par la liaison spécifique entre les messagers chimiques avec le site de liaison des protéines membranaires.

Les canaux glycoprotéiques facilitent reconnaissance de cellule à cellule par liaison spécifique entre les récepteurs et les ligands des cellules adjacentes. Les protéines membranaires se rejoignent à différentes jonctions communicantes ou présentent jonction intercellulaire, qui facilite la communication cellule-cellule.

Le cytosquelette forme les filaments ou microfilaments protéiques interconnectés associés aux protéines de transport, qui favorisent la forme cellulaire et la coordination entre les cellules réalisant des activités extracellulaires et intracellulaires.


Quelle est l'épaisseur de la membrane si seules des hélices alpha sont incrustées d'une protéine transmembranaire ? - La biologie

Figure 1 : Une micrographie électronique d'une cellule d'E. coli mettant en évidence la largeur des membranes interne et externe de la cellule et la paroi cellulaire. Zoom avant : un schéma de la bicouche lipidique. Le cercle rouge désigne la tête hydrophile constituée d'un groupement polaire phosphoglycérol et les traits roses représentent les chaînes hydrocarbonées formant une barrière hydrophobe étanche excluant l'eau ainsi que les composés polaires ou chargés. Deux queues sont tirées par tête mais il pourrait aussi y en avoir trois ou quatre. (Image de microscopie électronique adaptée de A. Briegel et al. Proc. Nat. Acad. Sci., 106:17181, 2009.)

L'une des principales caractéristiques définissant les organismes vivants est que les cellules sont séparées de leur environnement externe par une membrane cellulaire mince, mais très complexe et hétérogène. Ces membranes peuvent se présenter sous toutes sortes de formes et de compositions moléculaires, bien qu'elles partagent généralement la propriété d'être constituées d'une multitude de molécules lipidiques différentes et d'être truffées de protéines membranaires. En effet, si l'on prend la masse de toutes les protéines qui sont présentes dans une telle membrane et que l'on la compare à la masse de tous les lipides d'une même membrane, ce rapport de masse dit protéine/lipide est souvent supérieur à un. (BNID 105818). Cette affirmation s'applique non seulement aux membranes plasmiques qui séparent le contenu cellulaire du monde extérieur, mais aussi aux nombreuses membranes organellaires qui sont l'une des caractéristiques déterminantes des cellules eucaryotes.

L'épaisseur de cette couche cruciale mais très mince par rapport au diamètre de la cellule, est similaire à l'épaisseur d'un fuselage d'avion par rapport au diamètre du corps de l'avion. Le point clé de cette analogie est simplement de donner une impression géométrique de l'épaisseur de la membrane par rapport aux dimensions de la cellule à l'aide d'objets familiers du quotidien. Dans le cas d'un avion, l'épaisseur de la coque extérieure est d'environ 1 cm pour un diamètre hors tout d'environ 5 m, ce qui donne un allongement de 1:500. Comment peut-on estimer le rapport hauteur/largeur pour le cas biologique ? À quelques exceptions près, comme chez Archaea, la partie lipidique de la membrane cellulaire est une bicouche de lipides avec les queues sur les feuillets opposés se faisant face (voir Figure 1). Ces membranes se forment spontanément comme une barrière relativement imperméable et auto-réparatrice à la périphérie de la cellule (ou de l'organite) comme discuté dans la section sur la perméabilité membranaire de la cellule. L'échelle de longueur de telles structures est donnée par les molécules lipidiques elles-mêmes, comme le montre la figure 2. Par exemple, le phospholipide prototypique dipalmitoyl-phosphatidylcholine a une longueur de tête à queue de 2 nm (BNID 107241, 107242). Ceci implique une épaisseur globale de membrane bicouche de 4 nm (dont 3 nm fortement hydrophobes et le reste étant composé des têtes polaires, (BNID 107247)). Pour un diamètre de cellule de 2 microns (une bactérie relativement grande ou une cellule eucaryote très petite), l'épaisseur de 4 nm implique un rapport d'aspect de 1:500, similaire au cas d'un avion. Des nombres plus importants sont parfois cités résultant probablement de l'augmentation effective due aux protéines et aux lipopolysaccharides dépassant de la membrane. Par exemple, le lipopolysaccharide incorporé dans la membrane externe bactérienne à Gram négatif double presque le diamètre de la cellule.

Figure 2 : Tailles et formes relatives caractéristiques des molécules lipidiques constituant les membranes biologiques.

L'histoire de la façon dont la taille des lipides a été initialement estimée a une histoire longue et intéressante, comme le décrit de manière vivante le petit livre de Charles Tanford "Ben Franklin Stilled the Waves". Plus précisément, l'histoire commence avec les expériences de Benjamin Franklin qui a exploré la capacité des huiles à calmer les vagues. Franklin a effectué ses expériences dans un étang près de Londres et a dit d'eux, "l'huile, bien que pas plus qu'une cuillère à café, a produit un calme instantané sur un espace de plusieurs mètres carrés, qui s'est étonnamment étendu et s'est étendu progressivement jusqu'à ce qu'il atteigne le côté sous le vent, faisant tout ce quart de l'étang, peut-être un demi-acre, aussi lisse qu'un miroir. L'apaisement des vagues est attribué à une monocouche d'huile se formant à la surface de l'eau et provoquant un amortissement par dissipation d'énergie. Une approche similaire pour calmer les vagues a été adoptée par les marins à l'époque des Romains en déversant du pétrole (comme les baleiniers utilisant de la graisse) dans une mer agitée. L'énergie est dissipée au fur et à mesure que le film d'huile s'écoule et se comprime et se dilate lors du mouvement des vagues. En utilisant les propres dimensions de Franklin pour la taille de sa nappe de pétrole (c'est-à-dire ½ acre ≈ 2000 m 2 ) et la connaissance du volume initial de la cuillère à café (c'est-à-dire 1 cuillère à café ≈ 5 cm 3 ), nous voyons que son huile a formé une seule couche avec une épaisseur de plusieurs nanomètres. Pour être précis, en utilisant les chiffres ci-dessus, on trouve une épaisseur d'environ 2,5 nm. Des mesures plus précises ont été entreprises par Agnes Pockels, qui a inventé une technique expérimentale de construction de monocouches lipidiques qui a permis de trancher avec précision la question des dimensions moléculaires. Lord Rayleigh a réalisé des versions à petite échelle de l'expérience de Franklin dans un appareil similaire à ce qui est maintenant connu sous le nom de « fosse de Langmuir » et permet d'étaler une monocouche de molécules sur une surface liquide et de détecter leur présence avec un petit fil qui serre cette monocouche .

Chaque couche de la membrane cellulaire est constituée de molécules de caractère similaire à celles étudiées par Franklin, Rayleigh et d'autres. En particulier, la membrane cellulaire est composée de phospholipides qui contiennent un groupe de tête et une queue d'acide gras d'environ 10 à 20 atomes de carbone. Une longueur moyenne de liaison carbone-carbone projetée sur la chaîne et représentant ainsi la forme en zigzag de la queue résultant de la forme orbitale tétraédrique du carbone est lcc= 0,126 nm (BNID 109594). La longueur totale de la queue est nc x lcc où nc est le nombre d'atomes de carbone le long de la chaîne. Globalement, les deux queues bout à bout plus les groupes de tête de phosphoglycérol ont une longueur d'environ 4 nm (BNID 105821, 100015, 105297 et 105298).

Figure 3 : La membrane avec quelques constituants notables. L'étendue de la saillie des protéines de la membrane cellulaire est évidente. La fraction de la surface membranaire occupée par les protéines dans cette représentation en coupe transversale est similaire à celle réellement trouvée dans les cellules. (Avec l'aimable autorisation de David Goodsell)

Sans surprise, les protéines membranaires sont à peu près aussi épaisses que les membranes qu'elles occupent. De nombreuses protéines membranaires telles que les canaux ioniques et les pompes sont caractérisées par des hélices transmembranaires d'une longueur 4 nm et ont des propriétés physico-chimiques similaires à celles des lipides dans lesquels elles sont intégrées. Souvent, ces protéines ont également des régions qui s'étendent dans l'espace de chaque côté de la membrane. Cette couche supplémentaire de protéines et de glucides ajoute à «l'épaisseur» de la membrane. Ceci est évident sur la figure 3 où certaines des protéines associées à la membrane sont représentées à l'échelle en coupe transversale. En raison de ces constituants supplémentaires qui comprennent également des lipopolysaccharides, la largeur globale de la membrane est variablement comprise entre 4 et 10 nm. La valeur de 4 nm est la plus représentative de la membrane rasée de ses saillies externe et interne. Cette valeur est assez constante à travers différentes membranes organellaires, comme indiqué récemment pour les hépatocytes de rat via la diffusion des rayons X où le RE, l'appareil de Golgi, les membranes plasmiques basolatérales et apicales étaient de 3,75 ± 0,04 nm, 3,95 ± 0,04 nm, 3,56 ± 0,06 nm et 4,25 ±0,03 nm, respectivement (BNID 105819, 105820, 105822, 105821). Nous concluons en notant que la surface de la membrane cellulaire est environ la moitié des protéines (BNID 106255) et que la biologie et la physique de la dynamique qui s'y déroule sont encore intensément étudiées et détient peut-être la clé de l'action de nombreux futurs médicaments.


Analyse statistique basée sur la structure des hélices transmembranaires

Les progrès récents dans la détermination de la structure à haute résolution des protéines membranaires permettent désormais d'analyser les principales caractéristiques des acides aminés dans les segments transmembranaires (TM) en comparaison avec les acides aminés dans les hélices hydrosolubles. Dans ce travail, nous avons mené une analyse à grande échelle des emplacements prévalents des acides aminés en utilisant un ensemble de données de 170 structures de protéines membranaires intégrales obtenues à partir de la base de données MPtopo et de 930 structures de protéines hélicoïdales hydrosolubles obtenues à partir de la banque de données sur les protéines. . Les grands acides aminés hydrophobes (Leu, Val, Ile et Phe) plus Gly étaient clairement répandus dans les hélices TM alors que les acides aminés polaires (Glu, Lys, Asp, Arg et Gln) étaient moins fréquents dans ce type d'hélice. La distribution des acides aminés le long des hélices TM a également été examinée.Comme prévu, les acides aminés hydrophobes et légèrement polaires se trouvent couramment dans le noyau hydrophobe de la membrane, tandis que les acides aminés aromatiques (Trp et Tyr), Pro et hydrophiles (Asn, His et Gln) se produisent plus fréquemment dans les régions d'interface. Les acides aminés chargés sont également statistiquement répandus en dehors du noyau hydrophobe de la membrane, et alors que les acides aminés acides sont fréquemment trouvés aux interfaces cytoplasmique et extra-cytoplasmique, les acides aminés basiques se regroupent à l'interface cytoplasmique. Ces résultats soutiennent fortement la distribution biaisée démontrée expérimentalement des acides aminés chargés positivement (c'est-à-dire la règle dite de l'intérieur positif) avec des données structurelles.

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Comment les protéines s'incrustent dans une membrane cellulaire

L'expérience : un petit cantilever mesurant à peine quelques nanomètres d'épaisseur est utilisé pour isoler une protéine membranaire (rouge) et la transporter vers une protéine auxiliaire (violet) à un endroit différent. Crédit : Visualisations : Serdiuk T et al., Science Advances 2019, édité

De nombreuses protéines ayant des fonctions biologiques importantes sont intégrées dans une biomembrane dans les cellules des humains et d'autres organismes vivants. Mais comment y entrent-ils en premier lieu ? Des chercheurs du département Sciences et ingénierie des biosystèmes de l'ETH Zurich ont enquêté sur la question.

Près d'un tiers de toutes les protéines des êtres vivants sont fermement ancrés dans une biomembrane, soit dans la membrane externe d'une cellule, soit dans les limites des compartiments cellulaires internes. Là, ces protéines membranaires effectuent des tâches importantes, servant, par exemple, de canaux moléculaires pour le transport de métabolites et de nutriments à travers la membrane ou de protéines de détection pour détecter l'environnement cellulaire.

Une équipe de chercheurs dirigée par Daniel J. Müller, professeur au Département de science et ingénierie des biosystèmes de l'ETH Zurich à Bâle, a maintenant étudié comment les protéines membranaires parviennent à pénétrer dans les membranes. Pour ce faire, ils ont utilisé une méthode très précise qui leur permet d'extraire des protéines individuelles ou de les déposer sur des membranes. Cette méthode, connue sous le nom de spectroscopie de force à molécule unique, permet aux scientifiques de guider un cantilever contrôlé par ordinateur mesurant seulement quelques nanomètres d'épaisseur vers un emplacement spécifique sur la surface d'une membrane avec la plus grande précision. Les forces adhésives moléculaires font qu'une protéine située à cet endroit adhère au porte-à-faux.

Rôle de deux protéines auxiliaires

Lors d'expériences avec des protéines bactériennes, les chercheurs ont pu clarifier le rôle de deux protéines auxiliaires, une insertase et une translocase, qui permettent aux protéines membranaires de s'intégrer dans la membrane. L'insertase est une protéine unique, tandis que la translocase est un complexe composé de plusieurs protéines. Les deux assurent l'ouverture d'un pore dans la membrane. "Dans le cas de l'insertase, nous pouvons considérer ce pore comme une lame. La protéine membranaire est initialement présente sous la forme d'un brin peptidique non structuré qui glisse le long de cette lame dans la membrane. Dans la membrane, ce brin peptidique prend alors ses trois fonctions -forme dimensionnelle », explique le professeur Müller de l'ETH. "Une fois que la protéine membranaire est devenue tridimensionnelle et s'est intégrée dans la membrane, la protéine auxiliaire se détache et forme une lame à un endroit différent de la membrane pour la protéine suivante", poursuit-il.

La protéine auxiliaire (ici une translocase, violette) est déjà située dans la biomembrane (gris) et aide une protéine membranaire sous la forme d'un brin peptidique (gauche, rouge) à s'intégrer dans la membrane (droite). Crédit : Visualisations : Serdiuk T et al., Science Advances 2019

Jusqu'à présent, les recherches sur le fonctionnement de ces protéines auxiliaires étaient imprécises et n'utilisaient que des peptides courts ou étaient menées uniquement en dehors des biomembranes. "Nous avons maintenant observé et décrit pour la première fois, étape par étape, comment une protéine entière s'incruste dans une membrane et prend une forme tridimensionnelle", explique Tetiana Serdiuk, postdoctorante dans le groupe du professeur Müller de l'ETH et première auteur.

Les chercheurs de l'ETH ont également pu montrer les différences de fonctionnement des insertases et des translocases : les insertases insèrent des brins peptidiques dans la membrane de manière relativement rapide mais maladroite. "Cela signifie qu'ils fonctionnent bien, en particulier avec de petites protéines", explique Müller. Les translocases, quant à elles, insèrent des brins peptidiques dans la membrane section par section, ce qui les rend mieux adaptées aux protéines plus complexes.

Important pour la médecine

Cette étude est un cas de recherche fondamentale classique, particulièrement significatif au regard de l'importance des protéines membranaires en médecine, comme le souligne Müller : « Environ la moitié de tous les médicaments agissent sur les protéines membranaires, et nous devons comprendre comment ces protéines membranaires se forment et comment ils fonctionnent."

De plus, la spectroscopie de force à molécule unique, que les scientifiques de l'ETH ont encore affinée pour cette étude, pourrait être utilisée dans d'autres applications : en collaboration avec le National Center of Competence in Research (NCCR) for Molecular Systems Engineering, Müller et d'autres scientifiques travaillent développer des cellules biologiques artificielles. "Cette méthode pourrait être utilisée pour personnaliser les biomembranes avec des protéines, essentiellement en les programmant", explique le professeur de l'ETH. "Les cellules artificielles de ce type pourraient un jour être utilisées comme usines moléculaires pour produire des produits pharmaceutiques à l'échelle industrielle."


Récepteur couplé aux protéines G

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Récepteur couplé aux protéines G (RCPG), aussi appelé récepteur sept transmembranaire ou récepteur heptahélique, protéine située dans la membrane cellulaire qui lie les substances extracellulaires et transmet les signaux de ces substances à une molécule intracellulaire appelée protéine G (guanine nucleotide-binding protein). Les GPCR se trouvent dans les membranes cellulaires d'un large éventail d'organismes, y compris les mammifères, les plantes, les micro-organismes et les invertébrés. Il existe de nombreux types différents de GPCR - quelque 1 000 types sont codés par le génome humain seul - et en tant que groupe, ils répondent à un large éventail de substances, notamment la lumière, les hormones, les amines, les neurotransmetteurs et les lipides. Certains exemples de GPCR incluent les récepteurs bêta-adrénergiques, qui se lient à l'épinéphrine prostaglandine E2 récepteurs, qui se lient à des substances inflammatoires appelées prostaglandines et rhodopsine, qui contient un produit chimique photoréactif appelé rétinal qui répond aux signaux lumineux reçus par les cellules en bâtonnets de l'œil. L'existence des GPCR a été démontrée dans les années 1970 par le médecin et biologiste moléculaire américain Robert J. Lefkowitz. Lefkowitz a partagé le prix Nobel de chimie 2012 avec son collègue Brian K. Kobilka, qui a aidé à élucider la structure et la fonction du GPCR.

Un GPCR est constitué d'une longue protéine qui possède trois régions de base : une partie extracellulaire (l'extrémité N), une partie intracellulaire (l'extrémité C) et un segment moyen contenant sept domaines transmembranaires. Commençant à l'extrémité N-terminale, cette longue protéine s'enroule de haut en bas à travers la membrane cellulaire, le long segment médian traversant la membrane sept fois en serpentin. Le dernier des sept domaines est connecté à l'extrémité C-terminale. Lorsqu'un GPCR se lie à un ligand (une molécule qui possède une affinité pour le récepteur), le ligand déclenche un changement de conformation dans la région à sept transmembranes du récepteur. Cela active l'extrémité C-terminale, qui recrute alors une substance qui à son tour active la protéine G associée au GPCR. L'activation de la protéine G initie une série de réactions intracellulaires qui se terminent finalement par la génération d'un certain effet, tel qu'une augmentation de la fréquence cardiaque en réponse à l'épinéphrine ou des changements de vision en réponse à une faible lumière (voir deuxième messager).

Les mutations innées et acquises dans les gènes codant pour les GPCR peuvent provoquer des maladies chez l'homme. Par exemple, une mutation innée de la rhodopsine entraîne une activation continue des molécules de signalisation intracellulaires, ce qui provoque la cécité nocturne congénitale. De plus, des mutations acquises dans certains GPCR provoquent des augmentations anormales de l'activité et de l'expression des récepteurs dans les membranes cellulaires, ce qui peut provoquer un cancer. Parce que les GPCR jouent des rôles spécifiques dans les maladies humaines, ils ont fourni des cibles utiles pour le développement de médicaments. Les agents antipsychotiques clozapine et olanzapine bloquent des GPCR spécifiques qui se lient normalement à la dopamine ou à la sérotonine. En bloquant les récepteurs, ces médicaments perturbent les voies neuronales qui provoquent les symptômes de la schizophrénie. Il existe également une variété d'agents qui stimulent l'activité GPCR. Les médicaments salmétérol et albutérol, qui se lient aux GPCR bêta-adrénergiques et les activent, stimulent l'ouverture des voies respiratoires dans les poumons et sont donc utilisés dans le traitement de certaines affections respiratoires, notamment la maladie pulmonaire obstructive chronique et l'asthme.


Les membranes plasmiques enferment et définissent les frontières entre l'intérieur et l'extérieur des cellules. Ils sont généralement composés de dynamique des bicouches de phospholipides dans lesquelles diverses autres molécules et protéines liposolubles ont également été incorporées. Ces bicouches sont asymétriques et la feuille externe diffère de la feuille interne par la composition lipidique et par les protéines et les glucides qui sont affichés à l'intérieur ou à l'extérieur de la cellule. Une fonction majeure de la membrane cellulaire externe est de communiquer l'identité unique de la cellule aux autres cellules. Les protéines, les lipides et les sucres affichés sur la membrane cellulaire permettent aux cellules d'être détectées et d'interagir avec des partenaires spécifiques.

Divers facteurs influencent la fluidité, la perméabilité et diverses autres propriétés physiques de la membrane. Ceux-ci incluent la température, la configuration des queues d'acides gras (certains

par des doubles liaisons), les stérols (c. La membrane plasmique est "sélectivement perméable". Cela signifie qu'il ne laisse passer que certaines substances tout en excluant d'autres. De plus, la membrane plasmique doit parfois être suffisamment flexible pour permettre à certaines cellules, telles que les amibes, de changer de forme et de direction lorsqu'elles se déplacent dans l'environnement, chassant des organismes unicellulaires plus petits.

Membranes cellulaires

Un sous-objectif de notre défi de conception « construire une cellule » consiste à créer une frontière qui sépare « l'intérieur » de la cellule de l'environnement « à l'extérieur ». Cette limite doit remplir plusieurs fonctions, notamment :

  1. Agir comme une barrière en empêchant certains composés d'entrer et de sortir de la cellule.
  2. Être sélectivement perméable

Figure 1. Le diamètre d'un ballon typique est de 25 cm et l'épaisseur du plastique du ballon d'environ 0,25 mm. C'est une différence de 1000X. Une cellule eucaryote typique aura un diamètre de cellule d'environ

et une épaisseur de membrane cellulaire de 5 nm. C'est une différence de 10 000 fois.

Modèle de mosaïque fluide

Le modèle de la mosaïque fluide décrit le mouvement dynamique du

protéines, sucres et lipides incrustés dans la membrane plasmique des cellules.

Pour un aperçu de l'histoire de notre compréhension de la structure de la membrane plasmique, cliquez ici.

Il est parfois utile de commencer notre discussion en rappelant la taille de la membrane cellulaire par rapport à la taille de la cellule entière

. Les membranes plasmiques vont de 5 à 10

en épaisseur. A titre de comparaison, les globules rouges humains, visibles en microscopie optique, sont d'environ 8

large, ou environ 1 000 fois plus large qu'une membrane plasmique est épaisse. Cela signifie que la barrière cellulaire est très mince par rapport à la taille du volume qu'elle renferme. Malgré cette différence de taille dramatique, la membrane cellulaire doit

exerce toujours ses principales capacités de barrière, de transport et de reconnaissance cellulaire et doit donc être une structure relativement "sophistiquée" et dynamique.

Figure 2. Le modèle de mosaïque fluide de la membrane plasmique décrit la membrane plasmique comme une combinaison fluide de phospholipides, de cholestérol et de protéines. Glucides attachés aux lipides (glycolipides) et

les protéines (glycoprotéines) s'étendent de la surface tournée vers l'extérieur de la membrane.

Les principaux composants d'une membrane plasmique sont lipides (phospholipides et cholestérol), protéines, et les glucides. Les glucides ne sont présents que sur la surface extérieure de la membrane plasmique et

aux protéines, formant glycoprotéines, ou

lipides, formant glycolipides. Les proportions de protéines, de lipides et de glucides dans la membrane plasmique peuvent varier selon l'organisme et le type de cellule. Dans une cellule humaine typique, les protéines représentent 50 % de la composition en masse, les lipides (de tous types) représentent environ 40 % de la composition en masse et les glucides représentent les 10 % restants de la composition en masse. Cependant, la spécialisation fonctionnelle cellulaire peut faire varier considérablement ces rapports de composants. Par exemple, la myéline, une excroissance de la membrane de cellules spécialisées, isole les axones des nerfs périphériques, ne contient que 18 pour cent de protéines et 76 pour cent de lipides.

la membrane interne mitochondriale contient 76 pour cent de protéines et seulement 24 pour cent de lipides et la membrane plasmique des globules rouges humains contient 30 pour cent de lipides.

Phospholipides

Phospholipides sont des constituants majeurs de la membrane cellulaire.

d'un glycérol épine dorsale à laquelle

des queues d'acides gras et un groupe phosphate

- un à chacun des atomes de carbone du glycérol. Le phospholipide est donc un amphipathique molécule, ce qui signifie qu'elle a une partie hydrophobe (queues d'acides gras) et une partie hydrophile (groupe de tête phosphate).

Assurez-vous de noter dans la figure 3 que le groupe phosphate a un groupe R lié à l'un des atomes d'oxygène. R est une variable couramment utilisée dans ces types de diagrammes pour indiquer qu'un autre atome ou molécule est lié à cette position. Cette partie de la molécule peut être différente dans différents phospholipides et cela donnera une chimie différente à la molécule entière. À l'heure actuelle, cependant, vous êtes responsable de pouvoir reconnaître ce type de molécule (quel que soit le groupe R) en raison des éléments de base communs et du squelette du glycérol, du groupe phosphate et des deux queues hydrocarbonées.

figure 3. Un phospholipide est une molécule avec deux acides gras et un

groupe phosphate attaché à un squelette de glycérol.

Le phosphate peut être modifié par l'ajout de groupements chimiques chargés ou polaires

. Plusieurs groupes chimiques R peuvent

le phosphate. Choline, sérine et éthanolamine

ici. Ceux-ci se fixent au groupe phosphate à la position marquée R via leurs groupes hydroxyle.
Attribution:

à un environnement aqueux, ils peuvent s'organiser spontanément en diverses structures, y compris des micelles et des bicouches phospholipidiques. Ce dernier est la structure de base de la membrane cellulaire. Dans une bicouche phospholipidique, les phospholipides s'associent en deux

des draps. Dans chaque feuillet, les parties non polaires des phospholipides sont tournées vers l'intérieur l'une vers l'autre, composant la partie interne de la membrane, et les groupes de tête polaires sont opposés à la fois aux environnements aqueux extracellulaires et intracellulaires.

Point de discussion possible pour le N.-B.

Plus tôt dans le cours, nous avons discuté de la deuxième loi de la thermodynamique, qui stipule que l'entropie globale de l'univers est toujours en augmentation. Appliquer cette loi dans le cadre de la formation de la membrane bicouche lipidique. Comment est-il possible que les lipides soient capables de s'organiser spontanément dans une structure aussi organisée au lieu de se disperser dans un état plus désordonné ? Ou en d'autres termes - si la deuxième loi est vraie, alors comment exactement l'organisation lipidique spontanée conduit-elle à une augmentation de l'entropie ?

Figure 4. En présence d'eau, certains phospholipides vont spontanément se disposer en micelle.

Les lipides seront disposés

tels que leurs groupes polaires seront à l'extérieur de la micelle, et les queues non polaires seront à l'intérieur. Une bicouche lipidique peut également se former, une feuille à deux couches de seulement quelques nanomètres d'épaisseur. La bicouche lipidique

deux couches de phospholipides organisées de manière à ce que toutes les queues hydrophobes s'alignent côte à côte au centre de la bicouche et

par les groupes de tête hydrophiles.
Source : Créé par

Protéines membranaires

Les protéines constituent le deuxième composant majeur des membranes plasmiques. Protéines membranaires intégrales, comme leur nom l'indique, s'intègrent complètement dans la structure membranaire, et leurs régions hydrophobes transmembranaires interagissent avec la région hydrophobe de la bicouche phospholipidique.

Certaines protéines membranaires ne s'associent qu'à une moitié de la bicouche, tandis que d'autres s'étendent d'un côté de la membrane à l'autre, et

à l'environnement de chaque côté. Les protéines membranaires intégrales peuvent avoir un ou plusieurs segments transmembranaires typiquement

20&ndash25 acides aminés. Au sein des segments transmembranaires, des groupes variables d'acides aminés hydrophobes s'arrangent pour former une surface chimiquement complémentaire aux queues hydrophobes des lipides membranaires.

Protéines périphériques se trouvent sur un seul côté de la membrane, mais ne s'enfoncent jamais dans la membrane. Ils peuvent être du côté intracellulaire ou du côté extracellulaire, et faiblement ou temporairement associés aux membranes.

Figure 5. Les protéines membranaires intégrales peuvent avoir une ou plusieurs hélices &alpha (cylindres roses) qui traversent la membrane (exemples 1 et 2), ou ils peuvent avoir des feuilles &bêta (rectangles bleus) qui couvrent la membrane (exemple 3). (crédit : &ldquoFoobar&rdquo/Wikimedia Commons)

Les glucides

Les glucides sont un troisième composant majeur des membranes plasmiques. Ils sont toujours se trouvent à la surface extérieure des cellules et sont liés soit à des protéines (formant des glycoprotéines) soit à des lipides (formant des glycolipides). Ces chaînes glucidiques peuvent être constituées de 2 à 60 unités monosaccharidiques et peuvent être droites ou ramifiées. Avec les protéines périphériques, les glucides forment des sites spécialisés à la surface des cellules qui permettent aux cellules de se reconnaître (l'une des exigences fonctionnelles essentielles mentionnées ci-dessus.

Fluidité membranaire

Les protéines intégrales et les lipides existent dans la membrane sous forme de molécules séparées et ils « flottent » dans la membrane, se déplaçant les uns par rapport aux autres.La membrane n'est pas comme un ballon, mais en raison des propriétés élastiques de son plastique, un ballon peut facilement grandir et rétrécir sa surface sans éclater et tout en conservant la même forme circulaire rugueuse. En revanche, la membrane plasmique n'est pas capable de résister à l'étirement ou à la compression isotrope et peut facilement éclater lorsqu'un déséquilibre de soluté entre l'intérieur et l'extérieur provoque une infiltration soudaine d'eau. Une perte soudaine d'eau la fera se ratatiner et se froisser, modifiant considérablement la forme de la cellule. il est assez rigide et peut éclater en cas de pénétration ou si une cellule absorbe trop d'eau et que la membrane est trop étirée. Cependant, en raison de sa nature en mosaïque, une aiguille très fine peut facilement pénétrer dans une membrane plasmique sans la faire éclater (les lipides s'écoulent autour de la pointe de l'aiguille), et la membrane s'auto-scellera lors de l'extraction de l'aiguille.

Différents organismes et types de cellules dans les organismes multicellulaires peuvent ajuster la fluidité de leur membrane pour être plus compatible avec des fonctions spécialisées et/ou en réponse à des facteurs environnementaux. Ce réglage peut être accompli en ajustant le type et la concentration de divers composants de la membrane, y compris les lipides, leur degré de saturation, les lipides, leur degré de saturation, les protéines et d'autres molécules comme le cholestérol. Il y a deux autres facteurs qui aident à maintenir cette caractéristique fluide. Un facteur est la nature des phospholipides eux-mêmes. Sous leur forme saturée, les acides gras des queues phospholipidiques sont saturés d'atomes d'hydrogène. Il n'y a pas de doubles liaisons entre les atomes de carbone adjacents, ce qui donne des queues relativement droites. En revanche, les acides gras insaturés n'ont pas un complément complet d'atomes d'hydrogène sur leurs queues d'acides gras et contiennent donc des doubles liaisons entre les atomes de carbone adjacents. Une double liaison entraîne une courbure de la chaîne de carbones d'environ 30 degrés.

Figure 6. Toute membrane cellulaire donnée sera composée d'une combinaison de phospholipides saturés et insaturés. Le rapport des deux influencera la perméabilité et la fluidité de la membrane. Une membrane composée de lipides complètement saturés sera dense et moins fluide, et une membrane composée de lipides complètement insaturés sera très lâche et très fluide.

Les acides gras saturés, à queues droites, sont comprimés par des températures décroissantes, et ils vont se presser les uns sur les autres, formant une membrane dense et assez rigide. À l'inverse, lorsque les acides gras insaturés sont comprimés, les queues « enchevêtrées » éloignent les molécules de phospholipides adjacentes, en maintenant un certain espace entre les molécules de phospholipides. Cette « pièce au coude » aide à maintenir la fluidité dans la membrane à des températures auxquelles les membranes avec des concentrations élevées de queues d'acides gras saturés « congelent » ou se solidifient. La relative fluidité de la membrane est particulièrement importante dans un environnement froid. De nombreux organismes (les poissons en sont un exemple) sont capables de s'adapter aux environnements froids en modifiant la proportion d'acides gras insaturés dans leurs membranes en réponse à l'abaissement de la température.

Cholestérol

Les cellules animales contiennent du cholestérol, un constituant supplémentaire de la membrane qui aide à maintenir la fluidité. Le cholestérol, qui se situe juste entre les phospholipides de la membrane, a tendance à atténuer les effets de la température sur la membrane. Le cholestérol à la fois rigidifie et augmente la fluidité de la membrane, en fonction de la température. Les basses températures provoquent un tassement plus serré des phospholipides, créant une membrane plus rigide. Dans ce cas, les molécules de cholestérol servent à espacer les phospholipides et empêchent la membrane de devenir totalement rigide. A l'inverse, des températures plus élevées contribuent à éloigner les phospholipides les uns des autres et donc à une membrane plus fluide, mais les molécules de cholestérol dans la membrane prennent de la place et empêchent la dissociation complète des phospholipides.

Ainsi, le cholestérol étend, dans les deux sens, la plage de température dans laquelle la membrane est convenablement fluide et par conséquent fonctionnelle. Le cholestérol remplit également d'autres fonctions, telles que l'organisation de grappes de protéines transmembranaires en radeaux lipidiques.

Figure 7. Le cholestérol s'insère entre les groupes phospholipidiques à l'intérieur de la membrane.

Revue des composants de la membrane

Les composants et fonctions de la membrane plasmique
Composant Emplacement
Phospholipide Tissu principal de la membrane
Cholestérol Entre les phospholipides et entre les deux couches de phospholipides des cellules animales
Protéines intégrales (par exemple, intégrines) Intégré dans la ou les couches de phospholipides peut ou non pénétrer à travers les deux couches
Protéines périphériques Sur la surface interne ou externe de la bicouche phospholipidique non noyée dans les phospholipides
Glucides (composants des glycoprotéines et des glycolipides) Généralement attaché aux protéines sur la couche membranaire extérieure

Une différence majeure qui distingue les archées des eucaryotes et des bactéries est leur composition en lipides membranaires. Bien que les eucaryotes, les bactéries et les archées utilisent tous des squelettes de glycérol dans leurs lipides membranaires, les archées utilisent de longues chaînes isoprénoïdes (20-40 carbones de long, dérivées du lipide à cinq carbones isoprène) qui sont attachés via éther liaisons au glycérol, alors que les eucaryotes et les bactéries ont des acides gras liés au glycérol via ester liens.

Les groupes de tête polaire diffèrent en fonction du genre ou de l'espèce des archées et consistent en des mélanges de groupes glyco (principalement des disaccharides) et/ou de groupes phospho principalement de phosphoglycérol, phosphosérine, phosphoéthanolamine ou phosphoinositol. La stabilité inhérente et les caractéristiques uniques des lipides des archées en ont fait un biomarqueur utile pour les archées dans les échantillons environnementaux, bien que des approches basées sur des marqueurs génétiques soient désormais plus couramment utilisées.

Une deuxième différence entre les membranes bactériennes et archéennes qui est associée à certains archaea est la présence de membranes monocouches, comme illustré ci-dessous. Notez que la chaîne isoprénoïde est attachée aux squelettes du glycérol aux deux extrémités, formant une seule molécule constituée de deux groupes de tête polaires attachés via deux chaînes isoprénoïdes.

Figure 8. La surface extérieure de la membrane plasmique des archées n'est pas identique à la surface intérieure de la même membrane.

Figure 9. Comparaisons de différents types de lipides archéens et de lipides bactériens/eucaryotes


Interactions lipide-protéine en vrac

Effet de la viscosité de la membrane

Le mouvement de toute molécule ou partie de molécule à l'intérieur de la membrane est influencé par la fluidité de cet environnement [9]. Chaque molécule subit une force de traînée de friction lors de son mouvement à l'intérieur de la structure bicouche lipidique d'une membrane biologique, et la résistance du fluide à ce mouvement peut être exprimée en termes de viscosité. Par la loi de Stokes&rsquo (équation ef), la vitesse de mouvement des particules peut être exprimée en fonction de la force de traînée, de la viscosité de la membrane et de la taille des particules [3]. Cette équation suppose l'absence d'écoulement turbulent (une bonne hypothèse pour la membrane cellulaire relativement calme).

  • (F): force de traînée (ex. Newtons)
  • (mu): viscosité de la membrane (par exemple centipoises, Pascal*secondes)
  • (R) : taille des particules (par exemple, mètres, nanomètres)
  • (v): vitesse du mouvement des particules (par exemple, mètres par seconde)

Des particules plus grosses, des membranes plus visqueuses et un mouvement plus rapide entraînent donc tous une force de traînée accrue. Des membranes plus visqueuses peuvent provenir de la phase (par exemple liquide désordonné, liquide ordonné ou gel) des lipides dans la membrane la phase est déterminée par le nombre de doubles liaisons dans les queues d'acide gras des lipides et la température ambiante, avec moins des doubles liaisons ou une température inférieure à la température critique pour les lipides résultant en une membrane plus visqueuse.

Le mouvement d'une protéine dans la membrane est dicté par la résistance de friction et les forces moléculaires de restauration agissant sur elle. Une étude d'anisotropie de polarisation de fluorescence sur la rotation des résidus de tryptophane (Trp) a montré que le mouvement de Trp était affecté par la viscosité de l'environnement lipidique pour un mouvement à petite échelle, et l'amplitude de ce mouvement augmentait avec la température à mesure que la viscosité diminuait. Par exemple, à une viscosité de 1 centipoise (environ la viscosité de l'eau à température ambiante et de l'ordre de grandeur de la viscosité de la membrane), les auteurs s'attendent à ce que le mouvement de rotation local d'un peptide donné au sein de la protéine soit largement déterminé par la les résidus peptidiques environnants [17].

Alors que la viscosité de la membrane peut affecter la vitesse de mouvement de la protéine, la conformation la plus thermodynamiquement favorable de la protéine ne devrait pas dépendre de la viscosité de la membrane [9]. En effet, les propriétés thermodynamiques d'un système sont intrinsèquement indépendantes du temps, mais la viscosité est un paramètre lié au temps (puisque la viscosité a des unités de pression * temps). Cela signifie qu'un changement de viscosité ne peut pas augmenter ou diminuer directement l'énergie d'activation requise pour induire un changement de conformation - la conformation la plus stable d'une protéine est indépendante de la viscosité de la membrane. Les modifications de la viscosité membranaire peuvent cependant modifier le temps nécessaire à la protéine pour adopter cette conformation. De plus, si un changement de viscosité membranaire est le résultat d'un changement de température, la vitesse de la fonction protéique sera affectée car les constantes de vitesse dépendent de la température [9]. Cet effet indirect peut être intéressant à considérer dans l'étude de protéines membranaires isolées, qui peut avoir lieu à température ambiante plutôt qu'à la température de l'environnement naturel de la protéine.

Un autre effet important de la viscosité membranaire a également été révélé par des simulations de dynamique moléculaire. Il a été illustré que l'effet de la viscosité du solvant sur le mouvement de la protéine est important si la protéine est à la fois directement en contact avec le solvant et a une vitesse de mouvement comparable à l'environnement. En d'autres termes, le mouvement à haute fréquence d'une protéine qui ne chevauche pas le mouvement du solvant ne dépend pas de la viscosité du solvant [2]. Les lipides sont importants dans ce contexte car la viscosité d'une membrane biologique est principalement influencée par les types de lipides présents, la composition lipidique étant l'un des principaux déterminants de la fluidité.

Des membranes très visqueuses indiquent un ordre accru des queues d'acides gras lipidiques, souvent facilitée par des interactions avec des molécules plus petites telles que la sphingomyéline ou le cholestérol. Cela peut entraîner une durabilité et une imperméabilité accrues de la membrane. De plus, la fluidité de l'environnement membranaire entourant une protéine membranaire peut avoir un impact sur sa fonction. Par exemple, le récepteur du facteur de croissance épidermique humain (EGFR) s'est avéré non fonctionnel dans un environnement dans lequel des domaines liquides hautement fluides désordonnés et plus visqueux pouvaient exister. Cependant, dans un environnement désordonné purement liquide, l'EGFR a conservé sa fonction, révélant une dépendance fonctionnelle à la fluidité de la membrane [3].

Figure (PageIndex<3>) : L'élasticité de la bicouche est souvent facilitée par de petites molécules telles que la sphingomyéline et le cholestérol, et peut impacter le comportement des protéines membranaires [15].

(Voir la page principale des transitions de phase pour plus d'informations sur la fluidité de la membrane.)

Des zones localisées de viscosité membranaire élevée peuvent également indiquer l'existence de radeaux lipidiques, dont on pense qu'ils jouent un rôle dans l'isolement et la fonction des protéines. Les radeaux lipidiques sont transitoirement riches en sphingomyéline et en cholestérol : (10-200 nm de diamètre) à l'intérieur de la membrane cellulaire. L'abondance locale de sphingomyéline et/ou de cholestérol entraîne une séparation des phases liquide-liquide, ce qui signifie que les radeaux lipidiques sont généralement composés du liquide commandé (Lo) phase. Cela signifie que les lipides dans les radeaux sont plus compacts et plus ordonnés que la membrane en vrac, ce qui entraîne une augmentation de la rigidité locale et une diminution de la fluidité [18]. Certaines protéines peuvent se lier aux glycosphingolipides ou à la sphingomyéline, qui sont impliqués dans le recrutement des protéines dans les radeaux lipidiques.

Effet de la courbure de la membrane

La courbure dynamique du plasma ou de la membrane intercellulaire peut être dictée par les interactions entre les protéines et les lipides. En fait, les cellules peuvent utiliser divers mécanismes pour détecter la courbure afin de créer des régions de trafic membranaire actif. La composition lipidique a une influence majeure sur la courbure des membranes en fonction de leurs propriétés chimiques et/ou de la taille de leur groupe de tête. La présence de certains lipides est essentielle pour interagir avec certaines protéines membranaires périphériques afin d'induire une courbure nécessaire. Par exemple, les phosphoinositides sont nécessaires pour le bourgeonnement des vésicules recouvertes de clathrine, car la machinerie requise (par exemple les protéines d'enveloppe) peut se lier spécifiquement à ces lipides. La raison en est que les groupes de tête des phosphoinositides sont chargés négativement, ce qui entraîne une répulsion électrostatique qui peut contribuer à la courbure de la membrane [14].

Une autre étude a illustré que NSA4(1-48), une protéine transmembranaire clé qui médie la réplication du virus de la dengue (un virus à ARN simple brin positif né par un moustique), a une affinité pour la face convexe des régions très courbées des vésicules synthétiques bicouches, comme contrôlé par spectroscopie de dichroïsme circulaire [8].

De même, un récepteur de sérotonine couplé à la protéine G (5-HT1A) s'est avéré fonctionner plus rapidement dans une membrane plus fortement courbée [7]. Cet effet de courbure pourrait provenir d'une meilleure adéquation de l'épaisseur de la partie hydrophobe de la membrane entourant la protéine, stabilisant la forme protéique active.

En plus de répondre aux changements de courbure locale, les protéines membranaires peuvent également influencer la courbure locale de la membrane. Certaines protéines membranaires y parviennent en transportant des lipides individuels à travers la membrane, ce qui entraîne des compositions lipidiques inégales à travers les deux feuillets membranaires. La membrane doit se courber de manière à ce que le feuillet avec moins de lipides se trouve à l'intérieur de la courbe afin de maintenir un tassement optimal des groupes de tête [6]. De même, les feuillets membranaires contenant des lipides avec des zones de groupe de tête différentes peuvent également avoir une courbure intrinsèque en raison de leurs surfaces différentes [6]. Dans les deux cas, l'intégrité de la membrane en tant que barrière est facilitée par la courbure, protégeant les queues d'acides gras hydrophobes de l'environnement aqueux et maintenant la séparation entre le compartiment lié à la membrane et son extérieur.

Encore un autre exemple de l'interaction entre les protéines membranaires et la courbure membranaire est le processus de formation des vésicules. La capacité à former des vésicules est importante dans le trafic de protéines nouvellement formées, le recyclage des composants de la membrane cellulaire et l'absorption de particules par endocytose, parmi d'innombrables autres fonctions cellulaires. La formation de vésicules implique des régions complexes de courbure, y compris une faible courbure positive lorsque la vésicule commence à se former, une plus grande courbure positive lorsque la vésicule gonfle et une très forte courbure négative où la vésicule rencontre la membrane mère. Cette courbure complexe est facilitée en partie par la dynamine de la protéine membranaire, qui est responsable de la création du &ldquoneck&rdquo séparant la membrane mère de la vésicule presque entièrement formée. Ceci est le résultat de la dynamine liant la membrane et prenant une conformation hélicoïdale, forçant physiquement la membrane mère à prendre une forme tubulaire [14]. Les coatomers sont de petites protéines qui peuvent également jouer un rôle dans la formation des vésicules en liant les protéines membranaires existantes dans une zone relativement confinée. Les coatomers entraînent une répulsion stérique, entraînant une courbure de la membrane et un bourgeonnement [6].

Figure (PageIndex<4>) : Les protéines contenant des domaines de détection de courbure (rose) peuvent jouer un rôle important dans la formation des vésicules, cruciale pour la communication intercellulaire et intracellulaire [25].

La liaison des hélices amphipathiques à l'intérieur de la membrane est un autre mécanisme courant de courbure membranaire induite par les protéines. Comme le montre la figure ci-dessous, une partie de l'hélice est hydrophobe, tandis que l'autre est hydrophile. La partie hydrophobe s'associe aux chaînes acyles gras de la membrane, tandis que la partie hydrophile interagit avec les groupes de tête. Cela modifie la surface par groupe de tête pour le feuillet lié de la membrane, et la membrane doit se courber pour compenser.

Figure (PageIndex<5>) : Courbure membranaire résultant de l'insertion d'une hélice amphipathique dans un feuillet.

Certaines des autres manières bien comprises selon lesquelles l'interaction lipide-protéine est liée à la courbure de la membrane sont discutées en détail dans la courbure de la membrane.

Effet des changements d'épaisseur de membrane

Une caractéristique importante des lipides qui peuvent influencer la fonction des protéines est l'épaisseur de la bicouche. Comme le montre la figure (PageIndex<2>), l'épaisseur hydrophobe d'une membrane est la distance entre les groupes de tête hydrophiles de chaque feuillet, qui est liée à la longueur des queues d'acides gras des lipides composant la membrane. Les protéines membranaires doivent correspondre à l'épaisseur hydrophobe des chaînes acyle pour deux raisons. Premièrement, les chaînes acyles et les groupes hydrophobes des protéines membranaires ne forment pas de liaisons hydrogène avec l'eau et ont tendance à minimiser leur contact avec elle car cela est plus thermodynamiquement favorable (voir effet hydrophobe). Lorsque l'épaisseur hydrophobe de la membrane et la protéine membranaire ne correspondent pas, un mésappariement hydrophobe se produit. Afin de minimiser l'exposition des parties hydrophobes de la bicouche lipidique et des protéines transmembranaires à l'environnement aqueux, la bicouche peut se déformer de diverses manières. Il peut s'étirer (Figure (PageIndex<5>)), compresser ou même s'incliner. L'étirement implique une extension des chaînes d'acides gras des lipides entourant immédiatement la protéine, fournissant une plus grande épaisseur hydrophobe pour mieux correspondre à la taille du domaine hydrophobe de la protéine. Cela minimise l'étendue de la protéine membranaire hydrophobe exposée à l'environnement aqueux, ce qui est plus énergétiquement favorable. A l'inverse, la compression implique une contraction des queues d'acides gras entourant la protéine.

Figure (PageIndex<6>). Étirement d'une bicouche lipidique pour correspondre à l'épaisseur hydrophobe de la protéine (vert). L'extension des queues d'acides gras entraîne une plus grande épaisseur hydrophobe, protégeant les parties hydrophobes de la protéine de l'environnement hydrophile.

De plus, les protéines membranaires peuvent s'agréger (Figure (PageIndex<3>)) pour minimiser la surface exposée à l'eau [16]. En plus d'être plus thermodynamiquement favorable (c'est-à-dire maximiser l'entropie en réduisant le nombre de molécules d'eau en contact hautement ordonné autour des résidus hydrophobes), éviter l'exposition d'une protéine transmembranaire à un environnement aqueux est également important pour une fonction optimale car les chaînes latérales hydrophobes de la protéine peuvent changer de conformation lorsqu'ils entrent en contact avec l'eau, déformant leur structure native et provoquant une perte fonctionnelle. Les études sur ces distorsions membranaires réalisées avec des membranes modèles (bicouches artificielles), montrent que l'épaisseur de la région de la chaîne acyle est un élément essentiel de la fonction des protéines. Par exemple, la Ca-ATPase du réticulum sarcoplasmique, qui est une protéine importante dans la régulation du calcium dans les muscles, s'est avérée fortement affectée par le nombre de carbones dans la chaîne acyle, qui détermine l'épaisseur hydrophobe de la membrane [16]. De plus, des simulations de dynamique moléculaire ont montré la possibilité d'agrégation de protéines (Figure (PageIndex<3>)) en raison d'un mésappariement hydrophobe [17].

Figure (PageIndex<7>). Protéines agrégées pour minimiser le mésappariement hydrophobe [21].

Les protéines membranaires peuvent également changer de conformation en réponse à des changements de tension membranaire, ce qui peut indiquer des conditions externes changeantes nécessitant une réponse de la cellule.Par exemple, le gonflement ou le rétrécissement osmotique d'une cellule entraînera respectivement une tension membranaire supérieure ou inférieure. Sous une tension accrue, la bicouche aura tendance à s'amincir, ce qui entraînera un décalage hydrophobe accru. Une possibilité d'atténuer cela est que la conformation de la membrane change de sorte que son épaisseur de domaine hydrophobe corresponde à celle de la protéine transmembranaire. Une autre possibilité est qu'un changement de conformation dans la structure de la protéine membranaire pourrait soulager le mésappariement hydrophobe, faisant d'une réponse à la tension membranaire un mécanisme de déclenchement efficace. Ceci est typiquement plus favorable énergétiquement dans le cas de déformations membranaires importantes, pour lesquelles l'énergie nécessaire pour changer la conformation de la membrane pour correspondre à l'épaisseur hydrophobe de la protéine serait supérieure au coût de changement de la conformation de la protéine [11]. De tels changements conformationnels incluent des changements dans l'angle auquel le domaine transmembranaire est incliné ou le déroulement des domaines transmembranaires alpha-hélicoïdaux [11]. La réponse des protéines membranaires au mésappariement hydrophobe résultant de la tension membranaire est évidente dans le cas de nombreux canaux mécanosensibles bactériens, qui, sous une tension membranaire plus élevée, sont plus susceptibles d'être ouverts [15].

Par exemple, l'énergie d'interaction lipide-protéine pour une protéine membranaire avec six domaines transmembranaires hélicoïdaux a été estimée augmenter d'environ 10 -20 J/molécule lipidique pour un mésappariement hydrophobe de 10 Å, fournissant une force motrice appréciable pour la membrane ou la protéine. changer sa conformation [11]. À température ambiante, le coût énergétique du pliage d'une membrane lipidique est généralement de l'ordre de 10 à 20 J, bien que cela puisse changer considérablement en fonction de la température locale et de la composition lipidique [24]. L'hydrolyse d'un ATP, un moyen typique de provoquer des changements de conformation des protéines, donne environ 10 -19 J [6]. Toutes ces valeurs se situent dans des ordres de grandeur similaires, suggérant que la méthode la plus efficace pour résoudre les mésappariements hydrophobes pour une membrane et une protéine données peut dépendre à la fois de facteurs intrinsèques et environnementaux.


L'auteur déclare que la recherche a été menée en l'absence de toute relation commerciale ou financière pouvant être interprétée comme un conflit d'intérêt potentiel.

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Mots clés : osmosenseurs, épaisseur de bicouche lipidique, amincissement membranaire, protéines Ras, voies de signalisation, peptides antimicrobiens, colistine, amphotéricine B

Citation : Cohen BE (2018) L'épaisseur de la membrane en tant que facteur clé contribuant à l'activation des osmosenseurs et des voies de signalisation Ras essentielles. Devant. Dév. Biol. 6h76. doi: 10.3389/fcell.2018.00076

Reçu : 27 avril 2018 Accepté : 25 juin 2018
Publication : 24 juillet 2018.

Manuel Prieto, Université de Lisbonne, Portugal

Jesus Perez-Gil, Université Complutense de Madrid, Espagne
Erdinc Sezgin, Université d'Oxford, Royaume-Uni

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