Fonctions et structure générale des membranes biologiques
Les membranes biologiques remplissent plusieurs tâches clés : elles séparent le contenu cellulaire du milieu extérieur, régulent le transport des substances, forment des contacts intercellulaires et assurent la perception des signaux externes. La base structurelle de la membrane est constituée d'une double bicouche lipidique, formée de molécules amphiphiles. Les lipides et les protéines de la membrane sont maintenus par des liaisons non covalentes (faibles), ce qui confère fluidité et plasticité à la structure.
L'amphiphilie des phospholipides est déterminée par la présence d'une tête polaire (hydrophile) et de deux queues non polaires (hydrophobes). Les queues sont orientées les unes vers les autres à l'intérieur de la bicouche, tandis que les têtes sont dirigées vers l'extérieur et vers le cytoplasme.
Composition lipidique des membranes
Les principales classes de lipides membranaires sont : les phospholipides, les glycolipides et le cholestérol.
- Le cholestérol régule la rigidité et la fluidité de la membrane : son manque rend la membrane trop fluide, son excès la rend trop rigide.
- Les phospholipides sont constitués d'un résidu de glycérol, de deux résidus d'acides gras, d'un groupe phosphate et d'un groupement polaire. Selon la nature du groupe polaire, on distingue la phosphatidylsérine, la phosphatidyléthanolamine, la phosphatidylcholine et le phosphatidylinositol. Les cardiolipines font partie des membranes mitochondriales.
- Les sphingolipides sont des dérivés de la sphingosine. Ils comprennent les céramides (sphingosine + acide gras), les cérébrosides (céramide + monosaccharide, le plus souvent le galactose) et les sphingomyélines (sphingosine, acide gras, phosphate, choline). Les cérébrosides et les sphingomyélines sont caractéristiques des membranes du tissu nerveux.
Lors de l'hydrolyse complète d'un phospholipide, les liaisons ester sont rompues : par exemple, la sphingomyéline libère de la sphingosine, un acide gras, de l'acide phosphorique et de la choline ; la phosphatidylcholine libère du glycérol, deux acides gras, du phosphate et de la choline.
Protéines membranaires et transport des substances
Les protéines sont divisées en protéines intégrales (transmembranaires), qui traversent la bicouche, et protéines périphériques, orientées vers le cytoplasme ou le milieu extracellulaire. Les protéines membranaires sont souvent glycosylées et phosphorylées, ce qui les protège des protéases. Elles agissent comme des récepteurs, des enzymes, des transporteurs, participent aux réactions immunitaires et forment des contacts intercellulaires.
Le transport à travers la membrane peut être passif ou actif :
- La diffusion simple — pour les substances lipophiles (hormones stéroïdiennes), qui traversent librement la bicouche selon le gradient de concentration.
- La diffusion facilitée — pour les substances hydrophiles via une protéine transporteuse, également selon le gradient.
- Le transport actif primaire — contre le gradient de concentration avec une consommation directe d'ATP (par exemple, la Na⁺/K⁺-ATPase).
- Le transport actif secondaire — symport ou antiport utilisant le gradient de Na⁺ créé par l'ATPase (par exemple, l'entrée du glucose couplée au sodium).
Systèmes adénylate cyclase et inositol phosphate
Les molécules de signalisation (premiers messagers) sont des hormones, des neurotransmetteurs, des facteurs de croissance, des eicosanoïdes. Les récepteurs sont divisés en membranaires (ionotropes et métabotropes) et intracellulaires. Les récepteurs métabotropes comprennent les récepteurs couplés aux protéines G et les récepteurs catalytiques.
Dans le système adénylate cyclase (glucagon, adrénaline via les récepteurs β-adrénergiques), l'hormone modifie la conformation du récepteur, ce qui est transmis à la sous-unité α de la protéine G. Le GDP est remplacé par le GTP, la sous-unité α active l'adénylate cyclase, qui transforme l'ATP en AMPc. L'AMPc active la protéine kinase A en dissociant ses sous-unités régulatrices ; les sous-unités catalytiques phosphorylent les enzymes régulatrices. Les enzymes de dégradation à l'état phosphorylé sont actives, les enzymes de synthèse sont inactives. L'AMPc est dégradé par la phosphodiestérase. La toxine cholérique bloque la déphosphorylation du GTP par la sous-unité α, provoquant une activation permanente de l'adénylate cyclase et une accumulation d'AMPc. Via la protéine Gi, la sous-unité α inhibe au contraire l'enzyme.
Dans le système inositol phosphate (ADH, adrénaline via les récepteurs α₁), la phospholipase C est activée, clivant le phosphatidylinositol-4,5-bisphosphate en inositol-3-phosphate (IP₃) et diacylglycérol (DAG). L'IP₃ se lie aux récepteurs de la ryanodine du RE, libérant du Ca²⁺. Les ions calcium, conjointement avec le DAG, activent la protéine kinase C et se lient à la calmoduline, provoquant une réponse cellulaire.
Récepteurs catalytiques et intracellulaires
Le récepteur de l'insuline est une tyrosine protéine kinase composée de deux sous-unités α et de deux sous-unités β. Après liaison de l'insuline, les sous-unités β s'autophosphorylent sur les résidus de tyrosine et phosphorylent la protéine IRS (Insulin Receptor Substrate). L'IRS active la phosphoprotéine phosphatase, la phosphodiestérase, les facteurs de transcription et favorise l'insertion de GLUT-4 dans la membrane des adipocytes et des myocytes. Le résultat de l'action de l'insuline est la déphosphorylation des enzymes régulatrices : les enzymes de synthèse sont activées, les enzymes de dégradation sont inactivées.
Le récepteur guénylyl cyclase (facteur natriurétique auriculaire, guanyline) synthétise lui-même le GMPc à partir du GTP. Le GMPc active la protéine kinase G en se liant à ses sous-unités sans dissociation ; la protéine kinase G phosphoryle les enzymes régulatrices.
Les récepteurs intracellulaires sont cytoplasmiques (pour les hormones stéroïdiennes) et nucléaires (pour les iodothyronines T₃, T₄). Les hormones hydrophobes traversent la membrane par diffusion, forment un complexe « hormone-récepteur » qui se lie à l'ADN et régule la transcription. Ce mécanisme est appelé induction de la synthèse enzymatique et modifie la quantité de protéines plutôt que leur activité.
Points clés
- La membrane est une bicouche lipidique de phospholipides amphiphiles avec inclusion de cholestérol et de protéines.
- Le cholestérol maintient une fluidité membranaire optimale.
- Le transport des substances se divise en passif (diffusion simple et facilitée) et actif (primaire et secondaire).
- Le système adénylate cyclase (glucagon, adrénaline) augmente l'AMPc et active la protéine kinase A en phosphorylant les enzymes.
- Le système inositol phosphate, par l'intermédiaire de l'IP₃ et du DAG, augmente le taux de Ca²⁺ et active la protéine kinase C.
- La toxine cholérique bloque l'activité GTPasique de la sous-unité αs, provoquant une activation prolongée de l'adénylate cyclase.
- Le récepteur de l'insuline est une tyrosine kinase dont le résultat de l'action est la déphosphorylation des enzymes régulatrices.
- Les hormones stéroïdiennes et les iodothyronines agissent par l'intermédiaire de récepteurs intracellulaires en régulant la transcription des gènes.