- Composition chimique et architecture des membranes
Toutes les membranes biologiques sont organisées de la même façon, qu’il s’agisse de la membrane cytoplasmique propre à chaque cellule ou des membranes internes caractéristiques des Eucaryotes (organites). Elles contiennent, dans des proportions variables, trois types de molécules : des lipides, des protéines et des glucides.
• Les lipides membranaires : ils représentent de 25 à 75 % de la masse des membranes et possèdent une caractéristique commune, l’amphiphilie (ou amphipathie), c’està-dire la présence de deux domaines ayant des propriétés physico-chimiques opposées dans la molécule : un domaine hydrophile et un domaine hydrophobe, constitué de deux acides gras. Cette propriété est capitale, car elle permet l’autoassemblage en une bicouche : deux feuillets lipidiques accolés par leurs domaines hydrophobes. On distingue :
– des phospholipides, construits à partir de 2 alcools (glycérol ou bien sphingosine), de 2 acides gras, d’une molécule d’acide phosphorique et d’une molécule polaire ;
– des glycolipides, contenant des motifs saccharidiques (sans ac. phosphorique) ;
– du cholestérol, abondant dans les membranes animales seules, et qui à la différence des autres lipides, n’est pas un ester d’acides gras.
• Les protéines : elles représentent aussi une proportion importante de cette masse : 20 à 75 %, selon les membranes cellulaires. Très diversifiées, ce sont elles qui contribuent réellement à leur spécificité et qui assurent leurs fonctions particulières. Les glucides membranaires n’existent jamais à l’état libre, mais sont toujours associés aux lipides (glycolipides) ou aux protéines (glycoprotéines).
• Architecture : elles sont toutes organisées selon le modèle d’une bicouche lipidique fluide dans laquelle sont enchâssées plus ou moins profondément les protéines membranaires. On en distingue deux types, celles dites intrinsèques (intégrales), et celles dites extrinsèques (périphériques). Les premières sont solidement associées à la bicou-che, qu’elles peuvent traverser de part en part (elles possèdent alors un ou plusieurs domaines hydrophobes), ou dans laquelle elles sont ancrées par des chaînes de lipides ou d’acides gras. Les secondes sont hydrophiles et liées aux premières par des liaisons faibles de surface. Tout comme les lipides, les protéines peuvent se déplacer par diffusion latérale, au sein des membranes, mais sont incapables de basculer d’un feuillet dans l’autre. II Les techniques d’étude de la structure des membranes Un nombre considérable d’expériences concernant l’architecture membranaire a été conduit sur les hématies de Mammifères. Ces cellules très différenciées constituent un excellent modèle biologique pour ce genre d’études, car elles ne contiennent plus aucun organite et leur seule membrane est la membrane plasmique, qui peut donc être aisément purifiée après hémolyse puis centrifugation (on parle de « fantômes » d’hématies) ; elles peuvent en outre être obtenues en très grandes quantités.
II.Les techniques d’étude de la structure des membranes
Un nombre considérable d’expériences concernant l’architecture membranaire a été conduit sur les hématies de Mammifères. Ces cellules très différenciées constituent un excellent modèle biologique pour ce genre d’études, car elles ne contiennent plus aucun organite et leur seule membrane est la membrane plasmique, qui peut donc être aisément purifiée après hémolyse puis centrifugation (on parle de « fantômes » d’hématies) ; elles peuvent en outre être obtenues en très grandes quantités.
Techniques d’homogénéisation et de fractionnement cellulaire
différents protocoles (cf. fiche 15) ont été mis au point afin d’obtenir, à partir de ces hématies, des vésicules membranaires dont la polarité est celle de la membrane plasmique de départ (vésicules dites « normales »), ou des vésicules dites « retournées », dont la polarité est inverse, c’est-à-dire que leur face externe correspond à la face interne de la membrane plasmique initiale.
• Étude de l’architecture des membranes : elle commence par la dissolution de la bicouche au moyen de détergents, puis l’identification de toutes les protéines membranaires est réalisée après une électrophorèse dénaturante (cf. fiche 9). De même, l’analyse des différents lipides est faite grâce à la chromatographie (cf. fiche 22). Cette approche globale est complétée par une analyse de l’architecture précise, c’est-à-dire la position exacte des lipides dans chaque feuillet membranaire et la manière dont les protéines sont disposées dans la bicouche (étude de l’asymétrie membranaire). Les protéines extrinsèques sont décrochées de la membrane par des traitements « doux » tels que des changements de pH ou de force ionique du milieu.
• Techniques de marquage radioactif ou chimique : il est possible de marquer enzymatiquement certains groupements fonctionnels des protéines ou des lipides grâce à des radio-isotopes (ou des composés fluorescents ; cf. fiche 8). Ceci se réalise soit sur des cellules entières et intactes, soit sur des cellules perméabilisées, soit enfin sur des vésicules artificielles « normales » ou « retournées ». Le marquage se faisant in vitro et l’accessibilité de ces groupements n’étant pas la même vis-à-vis du marquage, selon les
différentes situations, l’analyse des molécules marquées (après électrophorèse ou chromatographie) donnera des informations précieuses sur leur orientation dans la bicouche.
• Utilisation d’enzymes : l’analyse des protéines membranaires peut impliquer leur digestion par des peptidases spécifiques, suivie par l’électrophorèse des peptides obtenus. Les chaînes glucidiques portées par les protéines ou les lipides peuvent être décrochées par des glycosidases ; ces chaînes, tournées uniquement vers l’extérieur des cellules, ne sont en effet accessibles que sur des cellules entières ou des vésicules « normales » obtenues in vitro. De la même façon, les lipides sont digérés par des phospholipases, ce qui permet d’étudier leur asymétrie de répartition.