Compoziția membranei celulare

Compoziția membranei celulare este în esență alcătuită dintr-o cantitate mare de lipide (în special fosfolipide ). În componenta lipidică există numeroase proteine , având funcții fiziologice importante. Există, de asemenea, un procent mic de carbohidrați, sub formă de glicoproteine ​​și glicolipide și de molecule de colesterol care stabilizează membrana.

Lipidele membranei celulare

Lipidele reprezintă aproximativ 50% din masa membranei plasmatice, deși sunt mult mai numeroase decât proteinele (aproximativ 50 de molecule de lipide pentru fiecare proteină). Cele trei clase principale de lipide membranare sunt: fosfolipide (70% din greutatea totală a lipidelor), colesterol (20%) și glicolipide (5%). Principalele fosfolipide ale membranei sunt: fosfatidilcolină , fosfatidilserină, fosfatidiletanolamină și sfingomielină ; în ansamblu aceste patru specii de lipide constituie peste 50% din lipidele de membrană. Alte fosfolipide, cum ar fi fosfatidilinozitolul , sunt prezente în cantități mici, dar joacă un rol crucial în geneza semnalelor intracelulare. Plasmalogenii , în principal plasmenilcolina și plasmeniletanolamina , reprezintă aproximativ 18% din fosfolipide de membrană, cu preferință pentru celulele excitabile: celule miocardice , celule musculare striate și celule nervoase .

Structura fosfolipidelor

Lipidele de membrană sunt molecule amfipatice , adică prezintă atât proprietăți hidrofobe, cât și proprietăți hidrofile . Natura amphipathic se datorează prezenței unui capăt polar hidrofil (cap), format prin acidul ortofosforic (PO _4), la care hidroxil (OH), carboxilice (COOH), amină de amoniu _(NH2) sau cuaternare de ioni sunt adăugate grupe (N + (CH ₃ ) ₃ ) al radicalului legat de ortofosfat și al unui capăt hidrofob apolar (coadă) format din lanțurile alifatice ale acizilor grași sau de nucleul ciclopentanoperihidrofenantrenului colesterolului.

Aranjamentul fosfolipidelor în interiorul membranei

Datorită naturii amfipatice, fosfolipidele și glicolipidele formează lamine bimoleculare. În fiecare monostrat lipidele sunt aliniate între ele, cu capetele polare îndreptate spre exterior, către mediul apos și cu cozile hidrofobe orientate spre interiorul stratului bistrat. Asocierea dintre moleculele lipidice este susținută de legături electrostatice (dipolare și hidrogen ) între capete și de legături slabe ale forțelor Van der Waals între lanțurile alifatice ( dipol indus de dipol indus).

Lipidele de membrană îndeplinesc o funcție structurală, constituind schela fundamentală a membranei plasmatice; o funcție de barieră semipermeabilă , care permite moleculelor liposolubile să treacă liber, dar este impenetrabilă de cele solubile în apă ; o funcție metabolică , deoarece reprezintă o sursă de mediatori lipidici, care pot fi mobilizați ca răspuns la stimuli externi: inozitol-1,4,5-trifosfat (IP ₃ ), diacilglicerol (DAG), acid fosfatidic (PA), lizoz- PAF (factor de activare a trombocitelor), ceramide .

Deși funcția plasmalogenilor nu este pe deplin înțeleasă, se crede că aceste lipide pot proteja membranele de stresul oxidativ, acționând ca antioxidanți endogeni, deoarece legătura vinilică este capabilă să lege radicalii liberi (efect scavenger sau scavenger). Alte funcții care au fost atribuite plasmalogenilor de membrană includ modularea fluidității membranei și participarea la evenimente de fuziune între membranele celulare, datorită tendinței lor de a forma faze hexagonale.

O mențiune specială necesită fosfatidilinozitol , deoarece este precursorul compușilor importanti ai membranei fosforilate: fosfatidilinozitol-monofosfați [PI-3-P, PI-4-P (PIP), PI-5-P]; fosfatidilinozitol-bisfosfați [PI-3,4-P _2, PI-4,5-P ₂ (PIP _2), PI-3,5-P _2]; fosfatidilinozitol-trifosfat [PI-3,4,5-P ₃ (PIP _3)]; PIP și PIP ₂ sunt cele mai abundente, deoarece reprezintă aproximativ 60% din totalul fosfatidilinozitol-fosfaților. PI-4,5-P ₂ are o importanță considerabilă , deoarece pe de o parte derivă din ea inozitol-1,4,5-trifosfat _(IP3), un al doilea mesager solubil produs de fosfolipaza C (PLC), pe de altă parte interacționează cu numeroase proteine ​​din membrane, modulându-le funcția.

Proteine ​​de membrană celulară

Proteinele sunt scufundate în „marea” lipidică și îndeplinesc o serie de funcții importante:

1. funcția de transport a ionilor și moleculelor;
2. funcția receptorului, permițând recunoașterea semnalelor extracelulare;
3. funcția enzimatică , cu generarea de semnale intracelulare, utilizând componentele lipidice ale membranei;
4. funcția de legătură, acționând ca intermediari în interacțiunea funcțională dintre două proteine ​​(de exemplu, între receptor și enzimă);
5. funcție structurală și mecanică , constituind puncte de ancorare pentru structuri extra și / sau intracelulare.

Din punct de vedere structural, proteinele, pe baza caracteristicilor extracției lor din membrană, pot fi împărțite în două tipuri: proteine ​​integrale și proteine ​​periferice. Diferențele în modurile de izolare reflectă caracteristicile inserției proteinelor în membrană.

Proteine ​​întregi

Proteinele integrale au nevoie, pentru a fi izolate, de tratamente drastice, care perturbă însăși structura membranei celulare.

Proteinele integrale se pot distinge în transmembranare , intramembranoase și proteine ​​cu ancore lipidice . De fapt, proteinele integrale pot traversa starea lipidică dublă complet de una sau mai multe ori (proteine ​​transmembranare bi- sau poli-topice), sau o pot traversa parțial, ieșind cu ambele capete din aceeași parte citoplasmatică sau extracelulară a membranei (intramembrană) proteine ​​monotopice). Proteinele transmembranare pot fi denumite tip I sau II, în funcție de faptul că terminalul C-terminal este intra sau extracelular.

Segmentele proteice care traversează bistratul lipidic sunt compuse în principal din aminoacizi nepolari (hidrofobi), în principal glicină , leucină , izoleucină , alanină și valină . Deoarece legăturile peptidice (-CO-NH +) dintre aminoacizii care alcătuiesc lanțul proteic sunt ele însele polare, segmentele intramembranoase își asumă de obicei o configurație cu helix alfa , astfel încât toate legăturile peptidice pot forma legături de hidrogen între ele (O- • •••• H +) prin reducerea polarității segmentului intramembranos.

O clasă importantă de proteine ​​integrale conține lanțuri lipidice legate covalent de lanțul peptidic (proteine ​​ancorate în lipide). Grupările lipidice sunt utilizate ca ancore care se inserează în membrana celulară. Aceste grupe includ: acizi grași ( palmitic și miristic ), izoprenoizi ( farnesil pirofosfat și geranilgeranil pirofosfat ) sau glicozilfosfatidilinozitol (GPI, o moleculă complexă formată din fosfatidilinozitol și oligozaharide ).

Proteinele palmitoilate și miristoilate și proteinele legate de GPI sunt de preferință distribuite în plute , întrucât lanțurile lor lipidice saturate au o conformație deosebit de potrivită pentru a fi primite în domeniile lipidice în stare lichidă. Dimpotrivă, proteinele izoprenilate, care au lanțuri lipidice ramificate și voluminoase, care nu sunt adecvate domeniilor în stare lichidă, sunt de preferință distribuite în regiunile mai fluide ale membranei (stare lichid-cristalină). Proteinele legate de GPI sunt localizate exclusiv în stratul exterior al membranei celulare, în timp ce cele legate de acizii grași sau izoprenoizi sunt prezenți doar în stratul interior.

Acizii grași și izoprenoizii sunt legați de molecula peptidică prin legătura esteră cu gruparea tiol a cisteinei . Hidroliza legăturii esterice de către enzime specifice permite reglarea asocierii acestor proteine ​​la partea citoplasmatică a membranei celulare și, prin urmare, controlul compartimentării dintre citoplasmă și membrană.

Proteine ​​periferice

Proteinele periferice pot fi mai ușor izolate de membrană, prin tratamente ușoare (de exemplu, modificări ale pH-ului sau puterii ionice a mediului).

Acest lucru este legat de faptul că proteinele periferice nu intră în stratul stratificat lipidic, ci se asociază cu suprafața acestuia, intra sau extracelulară, interacționând cu capul polar al lipidelor sau cu proteinele integrale. Unele enzime și proteinele spectrului și actinei citoscheletului fac parte din proteinele periferice asociate cu fața citoplasmatică a membranei celulare. Proteinele care conțin domenii PH (Pleckstrin Homology), cum ar fi fosfolipaza C (PLC), se leagă de derivații fosforilați ai fosfatidilinozitolilor. Proteinele cu domenii C2 (proteina kinază C domeniul 2) aderă la fosfolipide anionice (fosfatidilserină și fosfatidilinozitol) prin intermediul punților Ca + 2. Prezența domeniilor SH (Src Homology) permite proteinelor citoplasmatice să se asocieze cu reziduurile tirozin- fosforilate ale proteinelor de membrană, în special ale receptorilor de membrană cu activitate de tirozin kinază .

O proprietate a proteinelor periferice constă în posibilitatea ca asocierea lor cu membrana să fie tranzitorie și supusă reglării, de exemplu prin activarea proteinelor în sine sau a substraturilor la care aderă. Datorită acestei reglări, proteinele periferice se pot deplasa între citoplasmă și membrană plasmatică în funcție de nevoile funcționale ale celulei. Unele enzime, cum ar fi protein kinaza C (PKC), se leagă de membrană ca răspuns la activarea de către Ca2 + intracelular.

Asimetria membranei celulare

Asimetria membranei plasmatice

Compoziția celor două foi, externe și interne, a membranei celulare prezintă diferențe considerabile, nu numai în componenta proteică, ci și în componenta lipidică în sine, astfel încât membrana plasmatică se caracterizează printr-o asimetrie marcată, care reflectă diferitele funcțiile celor două monostraturi.

În primul rând, carbohidrații (oligozaharide), care sunt prezenți în membrana plasmatică sub formă de glico-proteine ​​și glico-lipide, sunt localizați numai în stratul exterior, în contact cu mediul extracelular, unde pot efectua un receptor funcție, în special în procesele de aderență între celule, sau o funcție de protecție, formând un strat ( glicocalix ) care acoperă membrana plasmatică extern, protejând-o de insultele mecanice și chimice .

În ceea ce privește lipidele, peste 80% din moleculele care în capul polar conțin colină (- (CH ₃ ) ₃ N + CH ₂ CH ₂ OH-), exact fosfatidilcolină (PC) și sfingomielină (SP), se află în monostrat extern al membranei, în timp ce aproximativ 90% din lipide cu capete fără sarcină netă (fosfatidiletanolamină, PE) sau cu sarcină netă negativă (fosfatidilserină (PS) și fosfatidilinozitol), sunt de preferință localizate în monostrat intern. Acest lucru duce la o prevalență a sarcinilor negative pe partea citoplasmatică a membranei celulare.

Originea asimetriei

Asimetria fosfolipidelor membranare este generată în timpul sintezei membranei în reticulul endoplasmatic , în care purtătorii fosfolipidelor (proteinele de transport) transportă fosfolipide specifice de la un monostrat la altul. Odată ce neomembranele au ajuns la suprafața celulei, asimetria fosfolipidelor este menținută de activitatea coordonată a mecanismelor de transport specifice.
Au fost identificate cel puțin trei mecanisme.

• Translocaza specifică ATP-dependentă pentru aminofosfolipide (sau flipazele ) transportă rapid fosfatidiletanolamina și în special fosfatidilserina de la monostratul exterior la cel interior.
• Floppaza nespecifică dependentă de ATP transportă fosfolipidele încet și fără specificitate de la monostratul interior la cel exterior. Floppaza este un membru al superfamiliei ABC a proteinelor purtătoare, un grup de proteine ​​specializate în transportul dependent de ATP al moleculelor amfipatice. Proteina ABCA1, responsabilă de transferul colesterolului de la membrana plasmatică la HDL, face parte din această familie.
• Scramblase (din engleză în scramble , to mix), o proteină nespecifică dependentă de Ca ²⁺ , care permite fosfolipidelor să se deplaseze aleatoriu între cele două monostraturi.

Primele două mecanisme funcționează în comun pentru a menține distribuția asimetrică a fosfolipidelor, în timp ce al treilea mecanism acționează într-un sens antagonist față de cele anterioare, provocând o trecere rapidă a fosfolipidelor de la un monostrat la altul, astfel încât să genereze un sistem aproape simetric. distribuția fosfolipidelor de membrană. În prezența concentrațiilor fiziologice intracelulare de Ca ²⁺ , flippaza și floppaza sunt active și mențin asimetria normală a membranei. Inhibarea lor oprește transportul activ al fosfolipidelor între foile de membrană, dar pentru câteva zile, in vitro , nu are ca rezultat pierderea asimetriei. Dimpotrivă, creșterea concentrației intracelulare de Ca ²⁺ activează scramblaza fosfolipidică dependentă de Ca ²⁺ și inhibă activitatea celorlalți doi transportori, astfel încât este o redistribuire rapidă și aleatorie a fosfolipidelor, care compromite asimetria membranei.

Rolul asimetriei membranei

Asimetria membranelor joacă un rol important în funcția celulelor.
Prevalența fosfolipidelor care conțin etanolamină (fosfatidiletanolamină și plasmeniletanolamină) în prospectul interior al membranei și a colin-fosfolipidelor din prospectul exterior ar putea influența procesele de endo- și exocitoză , deoarece etanolamino-fosfolipidele preferă faza HII ( vezi fosfolipide), în timp ce colino-fosfolipidele pentru faza lamelară.

Mai mult, unele proteine ​​periferice ( PKC , anexină , spectrină ) se atașează la suprafața citosolică a membranei datorită interacțiunii cu fosfatidilserina .

Pierderea asimetriei determină o creștere a aminofosfolipidelor, în special a fosfatidilserinei, pe suprafața celulei, cu consecințe semnificative pentru fiziologia celulară. Transformarea membranei plasmatice a trombocitelor într-o suprafață procoagulantă este cauzată de alterarea asimetriei fosfolipidelor, care implică o prezență excesivă de fosfatidilserină pe stratul exterior; aceasta favorizează coagularea și tromboza , crescând formarea trombinei de peste un milion de ori. Expunerea fosfatidilserinei oferă o suprafață catalitică pentru asamblarea complexelor enzimatice: protrombinaza (complexul factorilor Va și Xa care catalizează conversia protrombinei în trombină) și tenaza (complexul de activare X, compus din factorii IXa și VIIIa).

Mai mult, expunerea fosfatidilserinei în monostratul extern face ca celula să fie recunoscută și eliminată de fagocitele sistemului reticuloendotelial .