Les microfilaments d’actine

Les microfilaments d’actine sont les éléments les plus abondants du cytosquelette cellulaire. On en distingue plusieurs types suivant leur localisation :

• L’actine α est présente au niveau de cellules musculaires striées et lisses.
• L’actine β et l’actine γ sont présentent au niveau des autres types cellulaires.

I) Structure et synthèse des microfilaments d’actine

1) Caractéristiques structurales des microfilaments d’actine

Les microfilaments d’actine se présentent sous la forme d’une double hélice flexible de 5 à 8 nm de diamètre.

Ils sont constitués de monomères d’actine globulaire (actine G) qui une fois polymérisés forme de l’actine fibrillaire (actine F). Les monomères étant polarisés, les microfilaments eux-mêmes le seront, présentant ainsi une extrémité positive et une extrémité négative.

2) Mécanismes de synthèse des microfilaments d’actine

La polymérisation de l’actine globulaire se fait préférentiellement, mais pas exclusivement, au niveau de l’extrémité positive ; autrement dit elle sera rapide au niveau de l’extrémité positive et lente au niveau de l’extrémité négative.

Cette polymérisation est spontanée, mais nécessite cependant une étape d’activation de l’actine globulaire. Cette dernière est, dans son état inactivée, complexée avec de l’ADP. Son activation nécessite la présence de Mg²⁺et d’ATP, permettant la formation d’un complexe « actine G – ATP » qui est disponible à la polymérisation. Une fois polymérisée, l’actine va lentement hydrolyser l’ATP pour devenir un élément stable. Dans un milieu riche en ATP on aura donc une polymérisation intense de l’actine.

Il est intéressant de préciser qu’au niveau des muscles, les filaments d’actines rentrent dans la composition des sarcomères qui sont les unités contractiles des cellules musculaires. Il est donc facile de comprendre que l’on ne peut pas se permettre de tels remaniements (polymérisation, dépolymérisation) sans perturber les fonctions contractiles des muscles. De cette manière, l’organisme à mis en place des moyens de blocage des microfilaments par le recrutement d’autres protéines (cf. suite du cours).

Au niveau des cellules musculaires, les microfilaments d’actine ne sont pas autant « encadrés », mais nous verrons dans la suite du cours que la cellule à mis en place d’autres d’autre mécanismes permettant de contrôler l’activité de l’actine.

3) Modulation chimique de la polymérisation et de la dépolymérisation

Certaines molécules, non physiologiques, ont la caractéristique de moduler les réactions de polymérisation et dépolymérisation :

• La cytochalasine bloque la polymérisation en se fixant à l’extrémité positive.
• La phalloïdine bloque la dépolymérisation en se fixant sur les faces latérales entre chaque monomère des microfilaments d’actines.

II) Organisations des microfilaments d’actine dans la cellule

Les microfilaments d’actine ont des rôles très variés dans la cellule. Selon la fonction les microfilaments s’organiseront différemment (faisceau ou réseau) et interagiront avec des protéines caractéristiques. Ces protéines sont appelées ABP (pour Actin Binding Protein) et ont chacune des propriétés bien particulières (dans la polymérisation et dépolymérisation, dans la stabilisation, dans la formation des faisceaux et réseaux, dans la fixation à la membrane, dans la fragmentation, etc.).

1) Protéines de fixation aux monomères d’actine

Les protéines se fixant aux monomères régulent la polymérisation de l’actine G. Principalement deux protéines ont cette fonction :

• La profiline se fixe à l’actine globulaire (actine G) pour former de la profilactine qui stimule la polymérisation au niveau de l’extrémité positive.
• La thymosine se fixe au complexe « actine G – ATP » et le séquestre, inhibant la polymérisation.

2) Protéines de stabilisation des microfilaments d’actine

a) Stabilisation des microfilaments d’actine en faisceaux

Parmi les protéines de stabilisation des microfilaments en faisceaux parallèle on trouve :

• L’α-actinine permet la formation de faisceaux larges donnant l’accès à la myosine de type 2 jouant un rôle primordial dans les faisceaux contractiles.
• La fimbrine et la villine permettent une stabilisation des microfilaments en faisceaux serrés non contractiles.
• La tropomyosine
• La fascine

b) Stabilisation des microfilaments d’actine en réseaux

Les protéines de stabilisation des microfilaments en réseaux sont des protéines de réticulation permettant de lier deux microfilaments se croisant. La formation de ces réseaux à pour conséquence l’augmentation de la viscosité du cytoplasme. Parmi elles on trouve la filamine et la gélatine.

3) Protéines de fragmentation des microfilaments d’actine

Comme leur nom l’indique, les protéines de fragmentation scindent les microfilaments d’actines. Ils ont ainsi la propriété de fluidifier le cytoplasme. Parmi elles on trouve la gelsoline qui est calcium Ca²⁺ dépendante. Les microfilaments d’actine sont concentrés sous la membrane plasmique, s’opposant à l’excrétion des grains de sécrétion. L’augmentation de calcium dans la cellule permet l’activation de la gelsoline et la fusion des grains de sécrétion avec la membrane.

III) Fonction des microfilaments d’actine dans la cellule

1) Fonction des microfilaments d’actine

Les microfilaments d’actine jouent un grand rôle dans le déplacement des organites dans la cellule, par l’association à de la myosine de type 1. Cette dernière fixe l’organite par sa queue et migre le long des microfilaments d’actine par sa tête.

2) Fonction des faisceaux larges d’actine

Comme dit précédemment, les faisceaux larges contiennent de l’actine associée avec de l’α-actinine. Ceci donne accès à la myosine de type 2 qui a la caractéristique de posséder deux têtes globulaires à activité ATPasique et possédant des sites de phosphorylation. La polymérisation des molécules de myosine de type 2 entraîne la formation d’un filament bipolaire. L’hydrolyse de l’ATP permet aux têtes de pivoter le long des microfilaments d’actine et d’induire une contraction. Pour plus d’information sur la contraction des cellules musculaires striées, cf. suite de ce cours.

3) Fonction des faisceaux serrés d’actine

Également comme il a été dit plus haut dans le cours, les faisceaux serrés contiennent des microfilaments d’actine orientés de manière parallèle et associé à de la villine et de la fimbrine. On trouve ces faisceaux au niveau desmicrovillosités et des lamellipodes (cf. ci-dessous).
Au niveau des microvillosités, les faisceaux sont attachés à la membrane par de la myosine de type 5 au niveau de l’apex (pointe) et par de la myosine de type 1 latéralement.

Certaines cellules, telles que les fibroblastes, utilisent la polymérisation de l’actine pour se déplacer. En effet, ils forment prolongements cytoplasmique que l’on appelle des lamellipodes par polymérisation rapide de l’active au niveau de l’extrémité positive, associée à une dépolymérisation tout aussi rapide au niveau des extrémités négatives pour le réapprovisionnement. La pression exercée sur la membrane permet ainsi de faire avancer la cellule.

IV) Les microfilaments d’actine dans les cellules musculaires striées

Les muscles squelettiques sont constitués de cellules ou fibres musculaires regroupées en faisceaux. Les cellules musculaires sont caractérisées par un appareil contractile correspondant à l’association bout à bout d’unités contractiles, appelés sarcomères. En microscopie électronique ces sarcomères donnent à la cellule un aspect strié par une succession de bande claire et sombre.

1) Structure des sarcomères au microscope électronique

Au microscope électronique les sarcomères ont un aspect bien particulier qui est leur est donné par l’assemblage des myofibrilles. On distingue différentes parties :

• Le disque A correspond la bande sombre constituée de myosine et d’actine.
• Le disque I correspond à la bande claire constituée uniquement d’actine.
• La zone H correspond à la zone constituée uniquement de myosine.
• La ligne M est la ligne centrale de la zone H et de tout le sarcomère.
• Le disque Z est au centre du disque I et correspond à la séparation des différents sarcomères. Il est constitué de l’α-actinine.

2) Composition protéique des sarcomères

Les sarcomères ont une composition protéique bien caractéristique lui permettant de préserver sa stabilité :

• Les microfilaments d’actines ont leurs extrémités positives au niveau du disque Z et leurs extrémités négatives vers le centre du sarcomère.
• La tropomyosine est associée aux microfilaments d’actine et les stabilise.
• La myosine de type 2 s’auto assemble en un filament bipolaire qui s’encastre entre les microfilaments d’actine.
• L’α-actinine est située au niveau des disques Z et permet l’ancrage des microfilaments d’actines.
• La nébuline s’insère au niveau du disque Z, et s’associe aux microfilaments d’actine afin de contrôler leur assemblage et de déterminer leur longueur.
• La tropomoduline est présente au niveau des extrémités négatives des microfilaments d’actines et permet leur protection contre la dépolymérisation.
• Les protéines cap Z sont présentent au niveau des extrémités positives des microfilaments et les protègent également contre la dépolymérisation.
• La titine s’ancre à la myosine pour la relier à la ligne M et aux disques Z.

Les systèmes endosomale et lysosomale

I) Le système endosomale

Le système endosomale est un réseau complexe jouant un rôle important dans le tri de molécules incorporées dans les cellules. Ce système démarre immédiatement en dessous de la membrane plasmique et s’enfonce dans la cellule. Il peut être divisé en deux voies, chacune caractérisée par des structures bien particulières :

• La voie des endosomes précoces est caractérisée par les endosomes de tri et les endosomes de recyclage.
• La voie des endosomes tardifs est caractérisée par les corps multi-vésiculaire.

1) Voies des endosomes précoces

La voie des endosomes précoces est la première voie endosomale recruté suite à l’endocytose des vésicules nues découlant des puits recouverts.

a) Endosomes de tri

Les endosomes de tri possèdent un contenu acide, grâce aux H+ ATPases vésiculaires, qui est nécessaire à la dissociation des complexes ligand-récepteur. Ce pH passe donc de 7,4 (pH du milieu extracellulaire) à 6,5 (pH des endosomes tardifs).

Le tri est basé sur la structure tubulo-sphérique de l’endosome et sur le flux massique. En effet, les grosses molécules restent dans la sphère et les petites molécules migrent vers les tubules.

b) Endosomes de recyclage

Les endosomes de recyclage sont morphologiquement différents des endosomes de tri en étant sous la forme de tubules interconnectés.

Les récepteurs endocytés associés aux vésicules qui rentrent dans la voie endosomale sont réexpédiés vers la membrane en quittant les endosomes de tri. Les ligands quant à eux sont adressés à d’autres compartiments de la cellule.

2) Voies des endosomes tardifs

Les endosomes tardifs (pH de 6,5) ne correspondent pas à une transformation de l’endosome de tri, mais bel et bien à un nouveau compartiment. En effet, ils se présentent sous la forme de grosses structures vésiculaires contenant elles-mêmes de petites vésicules ; on appelle ces complexes des corps multi-vésiculaire. Ces derniers sont partiellement responsables de la dégradation des protéines par hydrolyse grâce à des enzymes hydrolytiques (hydrolases) provenant de l’appareil de Golgi via des vésicules de transport.

Par la suite, l’endosome tardif à deux destinées différentes qui aboutissent au même résultat :

• soit il fusionne avec des vésicules d’hydrolyse, se trouvant être à nouveau des vésicules de transport en provenance de l’appareil de Golgi, formant un lysosome,
• soit il fusionne avec un lysosome préexistant.

II) Le système lysosomale

Les lysosomes sont des organites cellulaires associés à la digestion intracellulaire d’éléments absorbés par la cellule ou contenus dans la cellule.

1) Caractéristiques structurales des lysosomes

a) La membrane lysosomale

La membrane lysosomale est essentiellement composée de phospholipides. Les protéines, quant à elles, présentent pour la majorité une glycosylation dirigée vers le lumen, les protégeant des hydrolases. Les glycoprotéines enzymatiques membranaires caractérisent les lysosomes. Parmi elles on compte :

• Des pompes à protons responsables du pH acide (entre 4,5 et 5,5) des lysosomes.
• Des protéines LAMP (pour « Lysosomes associated membrane protein ») présentent sous deux isoformes (LAMP-1 et LAMP-2) au niveau des lysosomes matures, mais absentes des lysosomes primaires.
• Des phosphatases acides, uniquement présentent au niveau des lysosomes primaires.

Attention, les lysosomes ne présentent pas de récepteurs au mannose-6-phosphate, présents uniquement au niveau des endosomes et des endolysosomes.

b) Les hydrolases

Les hydrolases fonctionnent à pH acide (proche de 5) et catalysent l’hydrolyse de toutes les molécules que peut contenir la cellule (protéines, acides nucléiques, glucides et lipides). Chaque type d’hydrolases est spécialisé dans l’hydrolyse d’une classe de molécules. Ainsi, les ribonucléases lysent les ARN, les désoxyribonucléases lysent les ADN, les protéases lysent les protéines, les polysaccharidases lysent les sucres et les lipases lysent les lipides.

2) Formation des lysosomes

On distingue deux voies dans la formation des lysosomes :

• La voie endosomale correspond à la fusion du lysosome primaire, provenant du réseau trans golgien, avec un endosome tardif, permettant la formation de l’endolysosome qui formera le lysosome.
• La voie lysosomale correspond à la fusion du lysosome primaire avec un lysosome déjà existant. Les récepteurs au mannose-6-phosphate sont ici directement renvoyés au réseau trans golgien.

3) Les différents types de digestions

a) L’hétérophagie

L’hétérophagie correspond à la digestion de substances exogènes qui rentrent dans la cellule soit par endocytose soit par phagocytose. Les vésicules d’endocytose fusionnent avec les endosomes qui eux-mêmes fusionnent avec les lysosomes primaires pour former les lysosomes matures.

b) L’autophagie

L’autophagosome est une expansion du réseau trans-golgien qui entoure le matériel à digérer. Il fusionne ensuite avec des lysosomes, formant des auto-phagolysosome. L’autophagie joue un grand rôle dans le renouvellement des composants cellulaires.

Adhérence cellulaire

L’adhérence cellulaire est une fonction indispensable que les organismes supérieurs ont acquis afin de permettre la formation de tissus, organes et systèmes qui s’efforcent de satisfaire les fonctions physiologiques nécessaire à la survie de l’individu.

L’adhérence cellulaire est permise d’une part grâce à la présence d’une matrice extracellulaire (adhérence indirecte) et d’autre part par la formation d’adhérence directe par la présence de molécules d’adhérence au sein des membranes plasmiques.

I) Les matrices extracellulaires

Les matrices extracellulaires sont des trames macromoléculaires (polysaccharides, protéines fibreuses et glycoprotéines) synthétisées par des cellules caractéristiques suivant le tissu considéré (fibroblastes, cellules épithéliales, ostéoblastes, chondroblastes, etc.). Ces cellules se fixent à la trame par des récepteurs membranaires de type SAM (Substrate Adhesion Molecules ; cf. suite du cours).

On trouve deux types de morphologie :

• Les matrices extracellulaires lâches sont des structures mésenchymateuses où les cellules se déplacent facilement (exemple : derme).
• Les matrices extracellulaires denses sont des structures dans lesquelles les cellules ne bougent pas (exemple : lame basale de l’épiderme).

Il est important de préciser que toutes les cellules produisent de la matrice extracellulaire, qu’elles soient d’origine bactérienne ou végétale, ainsi son existence n’est pas uniquement liée à l’état pluricellulaire de l’organisme.

1) Constituants de la matrice extracellulaire

a) Polysaccharides

Les polysaccharides sont principalement représentés par deux types de molécules :

• Les glyco-amino-glycanes (GAG) sont de longues chaînes (25 000 résidus), non ramifiées, formées de polymère de disaccharides dont l’un des deux est aminé. Les GAG ont la propriété de piéger l’eau formant un gel aqueux qui remplit la matrice.
• Les protéoglycanes correspondent sont liés à des protéines par liaison O-glycosidique avec des GAG non ramifiés.

b) Protéines fibreuses

Les protéines fibreuses sont principalement représentées par deux types de molécules :

• Les fibres de collagènes sont des glycoprotéines qui représentent 25% des protéines totales de l’organisme et qui permettent une résistance à de forte tension mécanique et ainsi la cohésion tissulaire (cf. cours de biochimies).
• Les fibres élastiques sont présentent dans les tissus soumis à des variations de tailles et de formes. Ces fibres élastiques sont formées de protéines, appelées les élastines, reliées entre elles et associées au collagène et aux polysaccharides, limitant les étirements excessifs.

c) Les autres glycoprotéines

D’autres glycoprotéines sont présentent dans la matrice extracellulaire, parmi elles on trouve la fibronectine, et plus particulièrement au niveau de la membrane basale la laminine.

2) La lame basale

La lame basale est une région différenciée de la matrice extracellulaire, située à la base des épithéliums ou autour de certaines cellules telles que les cellules endothéliales, les cellules graisseuses, les cellules musculaires et les cellules de Schwann. Elle est constituée de laminine, de GAG, de protéoglycanes, de collagène de type IV et d’autres glycoprotéines.

La lame basale étant à l’interface entre différents tissus, elle a une fonction de filtre, permet l’assise de cellules (épithéliales et endothéliales) et le contrôle de la localisation de protéines membranaires.

II) Molécules d’adhérences et jonctions intercellulaires

1) Les molécules d’adhérence

Parmi les molécules d’adhérence on trouve les CAM (pour Cell Adhesion Molecules) qui permettent l’interaction cellule-cellule et les SAM (pour Substrate Adhesion Molecules) qui permettent l’interaction cellule-matrice extracellulaire.

Ces interactions peuvent être homophile, c’est-à-dire qu’il y a interaction entre deux mêmes protéines, ethétérophile, c’est-à-dire qu’il y a interaction entre deux protéines différentes.

a) Immunoglobuline

Les immunoglobulines sont des monomères de la même superfamille que les anticorps, possédant également une chaîne lourde et une chaîne légère, avec des boucles fermées par des liaisons disulfure. Ce sont des glycoprotéines riches en acide sialique et possèdent une trentaine de membres, dont les N-CAM présentent au niveau du système nerveux.

Les immunoglobulines sont calcium (Ca²⁺) indépendante, contrairement aux autres molécules d’adhérence, et sont exprimés de manière constitutive au niveau de la membrane plasmique, autrement dit en permanence. Elles réalisent des liaisons homophiles mais qui peuvent se faire avec des membres différents, ainsi que des liaisons hétérophiles avec des protéoglycanes de la matrice extracellulaire et des intégrines.

b) Cadhérine

Les cadhérines sont des glycoprotéines sous la forme de monomère, possédant une extrémité N-terminale extracellulaire et étant calcium (Ca²⁺) dépendante. Les différents types de cadhérines sont spécifiques au tissu.

Ces molécules jouent un rôle principal dans les jonctions intercellulaires de type desmosomes. De cette manière leurs extrémités intracellulaires C-terminale interagiront avec les plaques denses ou directement avec les protéines du cytosquelette, et leurs extrémités extracellulaires N-terminale réaliseront des interactions homophiles et hétérophiles avec des autres cadhérines, des intégrines et des protéines de la matrice extracellulaire.

Dans les tissus, les cellules inhibent leurs propres croissances en interagissant les unes avec les autres et ceci grâce à la présence des cadhérines qui sont responsables de ce phénomène appelé inhibition de contact.

c) Sélectine

Les sélectines sont des glycoprotéines sous forme de monomère possédant une extrémité N-terminale extracellulaire. Les sélectines sont des lectines calcium (Ca²⁺) dépendante qui ont la spécificité de reconnaître les groupements glucidiques d’autres glycoprotéines.

Les sélectines permettent la formation de liaison brève et de très haute spécificité. Elles ne sont pas exprimées en permanence, mais nécessite une activation entraînant son endocytose. Elles interviennent dans des interactions hétérophiles lors de la diapédèse.

d) Intégrine

Les intégrines sont des glycoprotéines sous forme de dimère (αβ) présentant une extrémité extracellulaire N-terminale et étant elles aussi calcium (Ca²⁺) dépendante.

Les intégrines interagissent avec les composants de la matrice extracellulaire et de la lame basale tels que les fibronectines, les laminines et le collagène. Elles interagissent également par des interactions hétérogènes avec des immunoglobulines et des cadhérines, et dans le milieu intracellulaire avec le cytosquelette.

2) Jonctions intercellulaires et jonctions cellules-matrice extracellulaire

Les jonctions intercellulaires sont des régions différenciées de la membrane plasmique responsable de l’adhérence intercellulaire et au niveau desquelles on distingue une concentration importante de molécules d’adhérence. Parmi elles on distingue les jonctions serrées (ou Zonula Occludens), les jonctions intermédiaires(ou Zonula Adherens), les desmosomes, les jonctions communicantes (de type nexus ou jonctions gap).

Les jonctions cellules matrice-extracellulaire sont des régions différenciées 
de la membrane plasmique responsable de l’adhérence entre les cellules et 
les éléments de la matrice extracellulaire.
Elles sont également riches en molécules d’adhérence. 
Parmi elles on distingue les hémidesmosomes.

Ces jonctions sont présentent chez le animaux, mais pas chez les végétaux et les bactéries 
qui sont uniquement liés par leurs parois. Elles permettent une solidité mécanique d’une 
part et une communication cellulaire d’autre part.

a) Les jonctions serrées (ou zonula-occludens) Les zonula-occludens sont des jonctions étanches qui ceinturent la cellule,  d’où le terme de « zonula »,  au niveau du pôle apical et ceci notamment au niveau des épithéliums monocouches (endothélium) et cellules polarisées par exemple au niveau des entérocytes et hépatocytes).  Elles créées des occlusions qui  interdissent entièrement la diffusion latérale des protéines ;  l’espace intercellulaire est totalement obturé. Elles sont composées d’occludines et de claudines qui sont des molécules calcium  indépendantes et d’immunoglobulines dont les JAM (Junctionnal Adhesion Molecule). Du côté cytoplasmique on trouve des protéines spécifiques appelées protéines  ZO qui interagissent aves les molécules de la jonction d’une part, et permet l’ancrage des microfilaments d’actine (cf. cytosquelette) d’autre part,  et ceci grâce à la cinguline qui joue le rôle d’adaptateur entre les protéines  ZO et les microfilaments d’actine.

b) Les jonctions intermédiaires (ou zonula-adherens)

Les zonula-adherens sont également des jonctions qui ceinturent  la cellule au niveau du pôle apicale,  situées juste en dessous des zonula-occludens.  Elles sont situées au niveau des cellules  polarisées et laissent un espace intercellulaire plus important  que les jonctions serrées. Elles sont composées de cadhérines et de nectines qui sont des  immunoglobulines spécifiques.  Du côté cytoplasmique on trouve une plaque dense cytoplasmique où sont ancrées  les cadhérines et les nectines : Les caténines permettent la jonction entre les microfilaments  d’actines et les cadhérines. L’afadine et la ponsine permettent la jonction entre les microfilaments  d’actines et les nectines.

c) Les desmosomes Les desmosomes ne sont cette fois-ci plus des zonulas,  mais des macula-adherens qui sont des zones  d’ancrage des filaments intermédiaires sous la forme de tâche,  d’où le terme de « macula ».  Ils permettent la formation de jonctions intercellulaires,  contrairement aux hémidesmosomes qui créés des jonctions entre cellules et lame basale.  On trouve les desmosomes principalement au niveau  des épithéliums, mais pas exclusivement. Ils sont composés de desmocolline et  desmogléine qui sont des cadhérines (calcium dépendantes) spécifiques formant des interactions homophiles et hétérophiles entre elles,  ainsi que des molécules de la superfamille des immunoglobulines. La plaque dense a cette fois-ci une forme arrondie et est composée dedesmoplakine, où se fixent les filaments intermédiaires de cytokératine. Il est important de noter que deux molécules font office d’intermédiaire entre les molécules transmembranaires (desmocolline et desmogléine),  et les molécules de la plaque dense (desmoplakine) : la plakoglobine et la plakophiline.

Les desmosomes permettent l’adhérence intercellulaire, 
le maintien de la forme des cellules et une résistance cytoplasmique.

d) Les hémidesmosomes

Les hémidesmosomes sont présents au niveau du pôle basal et forment, 
comme dit précédemment, des jonctions avec la lame basale par interaction 
entre les intégrines des hémidesmosomes et les laminines de la lame basale.

Comme les desmosomes, les hémidesmosomes présentent une plaque dense 
qui permet d’ancré les filaments intermédiaires de cytokératine. Ces derniers
forment un réseau entre les plaques des desmosomes et hémidesmosomes 
permettant le maintient de la cohésion cellulaire.

e) Les jonctions communicantes de type nexus (ou jonction gap)

Au niveau des nexus on observe un espace intercellulaire de 2 à 3 nm.
On les trouve au niveau des faces latérales des cellules épithéliales et également des cellules non épithéliales (fibroblastes, cellules musculaires, cellules osseuses, neurones, etc.).

Ils sont composés de plusieurs centaines de canaux bidirectionnels 
par association de l’un à l’autre provenant d’une cellule et de l’autre. 
Chaque canal est un connexon formé de 6 sous-unités, 
dont chaque sous-unité est uneconnexine qui possède 4 segments transmembranaires.
Les nexus permettent une coopérativité métabolique intercellulaire 
en fonction du gradient de concentration (ions et petites molécules) et permet ainsi
le transfert d’informations (second messagers tels que l’AMP cyclique, le calcium
Ca2+ et certains enzymes).

Ces jonctions ne sont pas exprimées de manière constitutionnelle 
mais possèdent des demi-vies de l’ordre de 24 heures. La régulation 
de la perméabilité dépend donc de la concentration des nexus qui varie selon l’activité cellulaire.

Les membranes cellulaires

Les membranes cellulaires

Les membranes cellulaires sont des doubles couches phospholipidiques dans lesquelles s’insèrent de manièreasymétrique et inhomogène d’autres structures les caractérisant.

La membrane délimitant la cellule est appelée membrane plasmique et les membranes des organites sont appelées par le nom de l’organite concerné (membrane nucléaire, membrane mitochondriale, etc.).

En microscopie électronique on observe une tri-lamination de la membrane : un feuillet clair de 3 nm (environ 2 fois la longueur d’une chaîne d’acide gras) entouré par 2 feuillets sombres de 2,5 nm chacun ; l’épaisseur totale est donc d’environ 8 nm. Ceci a permis de mettre en évidence la structure en bicouche phospholipidique de la membrane plasmique.

I) Composition des membranes

Les membranes sont constituées (en poids sec de membrane) de 40% de lipides, 52% de protéines et 8% deglucides. En prenant en compte la différence de poids existant entre ces classes de molécules, on compte 50 molécules de lipides par molécule de protéine.

1) Diversités des lipides membranaires

Au sein de la membrane les lipides sont présents sous différentes formes ; parmi elles on compte les phospholipides, les glycolipides et le cholestérol.

a) Phospholipides

Les phospholipides présentent tous une tête hydrophile (phosphate et groupement spécialisé) et une queue hydrophobe (glycérol et acides gras). On distingue deux types de phospholipides :

• Les glycérophospholipides correspondent à l’association de glycérol, de deux acides gras, d’un acide phosphorique et d’alcools ou d’acides aminés (cf. cours de biochimie). Les alcools ou les acides aminés donnent l’identité et la caractéristique du glycérophospholipides. Parmi les acides aminés on trouve la sérine et parmi les alcools on trouve l’inositol, l’éthanolamine et la choline ; on obtient ainsi la phosphatidyl-sérine, le phosphatidyl-inositol, la phosphatidyl-éthanolamine et la phosphatidyl-choline.
• Les sphingophospholipides correspondent à l’association de sphingosine, d’acide gras, d’acide phosphorique et d’alcool ou d’acides aminés ; on obtient ainsi la sphingomyéline (par association de la choline).

b) Glycolipides

Les glycolipides sont de deux types, on trouve les glycéroglycolipides et les sphingoglycolipides. Il est intéressant de préciser que les glycolipides des membranes des érythrocytes (globules-rouges), définissent le groupe sanguin de l’individu.

c) Cholestérol

Le cholestérol est uniquement présent dans les membranes des cellules animales, en effet, il est absent des cellules végétales et des bactéries. Le cholestérol est composé d’un noyau stéroïde hydrophobe, d’une queue hydrophobe et d’une fonction alcool hydrophile. La molécule est donc amphiphile, représente environ un quart des lipides membranaires et influence la fluidité membranaire (cf. cours de biochimie).

2) Diversités des protéines membranaires

Les protéines membranaires ont des rôles bien spécifiques au sein de la double couche phospholipidique : récepteurs, transporteurs, adhérence cellulaire, catalyse enzymatique, messagers intracellulaires, etc. Chaque protéine possède une extrémité N-terminale et une extrémité C-terminale (cf. cours de biologie moléculaire – Traduction). Les protéines sont ancrées de différentes manières dans la membrane.

a) Les protéines extrinsèques

Les protéines extrinsèques sont localisées en dehors de la bicouche phospholipidique et sont ainsi soit entièrement intracellulaire, soit entièrement extracellulaire. Elles interagissent avec la membrane, par des liaisons électrostatiques de types liaisons hydrogènes et liaisons de Van der Waals, au niveau de domaines caractéristiques de protéines transmembranaires ou de lipides. Ces interactions étant faibles, elles sont rompues facilement par des variations de forces ioniques et de pH.

b) Les protéines ancrées dans des acides gras

Les protéines périphériques ancrées dans les lipides sont de deux types :

• Ancrées sur les glyco-phosphatidyl-inositol (GPI) qui correspondent à l’association d’une phospho-éthanol-amine sur des sucres, eux-mêmes ancrés sur un phosphatidyl-inositol. Ces protéines sont présentent sur la face extracellulaire de la membrane.
• Ancrées à la membrane par l’intermédiaire d’acide gras (acide palmitique et acide myristique). Ces protéines sont présentent sur la face intracellulaire de la membrane.

c) Les protéines transmembranaires

Les protéines transmembranaires traversent les deux feuillets de la membrane. Ces protéines sont liées de manière stable à la membrane avec l’environnement hydrophobe de la face interne de la membrane, par les acides aminés apolaires de leurs hélices α. Elles ne peuvent ainsi être séparées de la double couche phospholipidique (et donc étudiées) que par l’action de détergents.

3) Diversités des glucides membranaires

La grande majorité des glucides membranaires sont sous forme de glycoprotéines et une petite partie sous forme de glycolipides. Au niveau de la membrane les glucides n’existent pas à l’état libre, ils sont liés à des protéines, par des liaisons N-glycosidiques (le plus souvent) et des liaisons O-glycosidiques, sous forme de petites glycoprotéines ou de protéoglycanes.

• Les glycoprotéines contiennent des polysaccharides courts, souvent ramifiés et n’excédant pas 50% du poids moléculaire de la glycoprotéine. Le sucre terminal est souvent de l’acide sialique chargé négativement.
• Les protéoglycanes sont également des glycoprotéines, mais qui contiennent des polysaccharides à chaîne longue composée d’unités disaccharidiques répétées à l’infini, représentant jusqu’à 90% du poids moléculaire globale. Souvent un des deux sucres de l’unité est aminé, on parle alors de glyco-amino-glycane (ou GAG) dont le plus simple est l’acide hyaluronique.

Pour information, les protéoglycanes sécrétoires composent la matrice extracellulaire (tissu conjonctif, cartilage, etc.) et sont différents des protéoglycanes cellulaire.

II) Propriétés des membranes

1) Auto-assemblage des lipides

Les phospholipides, dus à leurs propriétés physico-chimiques, s’assemblent de manière automatique en différentes sortes de structures suivant l’environnement :

• Les monocouches sont des couches mono-moléculaires dont les têtes hydrophiles sont dirigées vers le milieu aqueux et les queues hydrophobes vers le milieu lipidiques.
• Les micelles sont des formations sous la forme de gouttelettes rondes, où dans un milieu aqueux les têtes hydrophiles sont dirigées vers l’extérieur de la sphère et les queues hydrophobes sont dirigées vers l’intérieur (dans un milieu lipidique la conformation est inverse).
• Les bicouches phospholipidiques permettent la formation de vésicules sphériques appelées liposomes. Les bicouches phospholipides rentrent dans la formation des bicouches membranaires. Pour information, les liposomes sont actuellement utilisés en thérapeutique pour encapsuler des substances médicamenteuses.

Production Mariana RUIZ (LadyofHats)

2) Asymétrie membranaire

Toutes les membranes biologiques sont constituées de feuillets dont les compositions lipidiques sont différentes, sauf le cholestérol qui se trouve en quantité équivalente dans l’un ou l’autre des feuillets, pouvant basculer facilement de l’un à l’autre.

• Le feuillet interne est caractérisé par les phosphatidyl-sérine (amphotère) et phosphatidyl-éthanol-amine (charge négative).
• Le feuillet externe est caractérisé par la sphingomyéline (charge négative) et la phosphatidyl-choline(charge négative).

L’asymétrie des lipides entraîne ainsi une asymétrie de la charge globale de chaque feuillet. On visualise également une asymétrie des protéines présente dans la double couche phospholipidique ; ces protéines participent à caractériser les propriétés de la membrane, que cela soit du côté intracellulaire ou extracellulaire.

La plus grande asymétrie est celle présente au niveau des glucides, en effet tous les motifs glucidiques sont localisés sur le feuillet externe de la membrane plasmique. Pour les organites intracellulaires les sucres sont dirigés vers la lumière de l’organite. « L’arbre glucidique » présent au niveau du feuillet externe de la membrane plasmique forme ce que l’on appelle le glycocalix.

3) Fluidité membranaire

La mobilité des lipides est nécessaire pour l’activité cellulaire. Ils peuvent se mouvoir de différentes manières au sein de la membrane : rotation, diffusion latéral et flip flop (passage d’un feuillet à l’autre).
Certaines protéines vont être bloquées par des structures intracellulaires ou extracellulaires par des interactions protéines-protéines ou interactions avec le cytosquelette.
La fluidité membranaire intervient dans différentes fonctions cellulaires : absorption, sécrétion, protection, adhérence, communication, interaction avec la matrice, etc.
La fluidité est influencée par différents facteurs, des facteurs externes comme la température (une augmentation de la température entraîne la fluidification de la membrane) et des facteurs internes :

• La composition en acides-gras : Plus les chaînes carbonées des acides-gras sont courtes et insaturées plus la membrane est fluide.
• La proportion de cholestérol : Le cholestérol renforce la solidité et rigidité membranaire et correspond jusqu’à 50% des lipides totaux de la membrane.
• Le nombre de protéines : Les protéines diminuent la fluidité membranaire.

III) Différenciation de la membrane plasmique

On distingue 3 principaux types de différenciation de la membrane plasmique, qui touche des pôles différents de la cellule concernée.

1) La bordure en brosse

La bordure en brosse est un rassemblement de microvillosités qui touche la membrane plasmique du pôle apical des cellules, permettant une augmentation de la surface d’échanges des cellules épithéliales (entérocytes, tubules rénaux, etc.).

Les microvillosités sont constituées de faisceaux de microfilaments d’actines, parallèlement par rapport à l’axe de la microvillosité. A la base de la microvillosité on trouve des filaments intermédiaires qui s’orientent de manière perpendiculaire par rapport aux microvillosités. La structure des faisceaux est permise grâce aux villines etfimbrines qui unissent les microfilaments d’actines entre eux (cf. chapitres microfilaments d’actines). Les faisceaux sont fixés à la membrane à l’aide de protéines contractiles : les myosines 1 latéralement et les myosines 5 à la pointe de la microvillosité.

2) Les microvillosités isolées

Les microvillosités peuvent être distantes les unes des autres, on parle de microvillosités isolées. Ces dernières sont notamment visibles au niveau des polynucléaires (ou globules-blanc ou leucocytes) lors de la diapédèse (cf. cours d’immunologie – « Immunité innée »).

3) Les intra-digitations

Les intra-digitations correspondent à des replis de la membrane plasmique au niveau du pôle basal des cellules épithéliales, le plus souvent au niveau de cellules qui sont sujettes à des échangent d’eau et de minéraux de manière bidirectionnelle avec la matrice extracellulaire.