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Qu'est-ce que la symétrie interne dans les protéines membranaires?

Qu'est-ce que la symétrie interne dans les protéines membranaires?


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J'ai rencontré le terme « symétrie interne » dans le contexte des protéines membranaires, mais je n'ai jamais trouvé de définition satisfaisante.

J'ai du mal à comprendre ce que signifie exactement ce terme... Quel plan est cette symétrie vu sur ? S'agit-il de dimères symétriques ou un monomère peut-il également être à symétrie interne?


La symétrie interne dans ce cas fait référence aux cas où une partie de la structure de la protéine peut être superposée (approximativement) à une autre. Ce n'est pas une symétrie mathématique stricte, plutôt une "ressemblance"

Par exemple, dans les 12 transporteurs d'hélices transmembranaires, les six premières hélices sont disposées de la même manière que les six secondes, de sorte que si l'on coupait la protéine en deux, on verrait que les deux moitiés (environ) se superposent.

La figure 3 de ce Nature Micro le montre clairement. http://www.nature.com/articles/nmicrobiol20159 Où les hélices bleues de 3a pourraient être tournées de 180 degrés et ensuite avoir une disposition très similaire aux hélices jaunes.


Protéine membranaire intégrale

Un protéine membranaire intégrale (LUTIN) est un type de protéine membranaire qui est fixée en permanence à la membrane biologique. Toutes les protéines transmembranaires sont des IMP, mais toutes les IMP ne sont pas des protéines transmembranaires. [1] Les IMP comprennent une fraction significative des protéines codées dans le génome d'un organisme. [2] Les protéines qui traversent la membrane sont entourées de lipides annulaires, définis comme des lipides en contact direct avec une protéine membranaire. De telles protéines ne peuvent être séparées des membranes qu'en utilisant des détergents, des solvants non polaires ou parfois des agents dénaturants.


Contenu

Asymétrie Modifier

La bicouche lipidique se compose de deux couches : un feuillet externe et un feuillet interne. [1] Les composants des bicouches sont répartis de manière inégale entre les deux surfaces pour créer une asymétrie entre les surfaces externe et interne. [2] Cette organisation asymétrique est importante pour les fonctions cellulaires telles que la signalisation cellulaire. [3] L'asymétrie de la membrane biologique reflète les différentes fonctions des deux feuillets de la membrane. [4] Comme on le voit dans le modèle de membrane fluide de la bicouche phospholipidique, le feuillet externe et le feuillet interne de la membrane sont de composition asymétrique. Certaines protéines et lipides ne reposent que sur une surface de la membrane et pas sur l'autre.

• La membrane plasmique et les membranes internes ont des faces cytosoliques et exoplasmiques. Dans les cellules eucaryotes, de nouveaux phospholipides sont fabriqués par des enzymes liées à la partie de la membrane du réticulum endoplasmique qui fait face au cytosol. [5] Ces enzymes, qui utilisent des acides gras libres comme substrats, déposent tous les phospholipides nouvellement fabriqués dans la moitié cytosolique de la bicouche. Pour permettre à la membrane dans son ensemble de croître uniformément, la moitié des nouvelles molécules de phospholipides doit ensuite être transférée vers la monocouche opposée. Ce transfert est catalysé par des enzymes appelées flippases. Dans la membrane plasmique, les flippases transfèrent sélectivement des phospholipides spécifiques, de sorte que différents types se concentrent dans chaque monocouche. [5]

L'utilisation de flippases sélectives n'est cependant pas le seul moyen de produire une asymétrie dans les bicouches lipidiques. En particulier, un mécanisme différent fonctionne pour les glycolipides, les lipides qui présentent la distribution asymétrique la plus frappante et la plus cohérente dans les cellules animales. [5]

Lipides Modifier

La membrane biologique est constituée de lipides avec des queues hydrophobes et des têtes hydrophiles. [6] Les queues hydrophobes sont des queues d'hydrocarbures dont la longueur et la saturation sont importantes pour caractériser la cellule. [7] Les radeaux lipidiques se produisent lorsque des espèces lipidiques et des protéines s'agrègent dans des domaines de la membrane. Ceux-ci aident à organiser les composants membranaires en zones localisées impliquées dans des processus spécifiques, tels que la transduction du signal.

Les globules rouges, ou érythrocytes, ont une composition lipidique unique. La bicouche des globules rouges est composée de cholestérol et de phospholipides en proportions égales en poids. [7] La ​​membrane érythrocytaire joue un rôle crucial dans la coagulation du sang. Dans la bicouche des globules rouges se trouve la phosphatidylsérine. [8] C'est habituellement dans le côté cytoplasmique de la membrane. Cependant, il est retourné sur la membrane externe pour être utilisé pendant la coagulation du sang. [8]

Protéines Modifier

Les bicouches phospholipidiques contiennent différentes protéines. Ces protéines membranaires ont diverses fonctions et caractéristiques et catalysent différentes réactions chimiques. Les protéines intégrales couvrent les membranes avec des domaines différents de chaque côté. [6] Les protéines intégrales sont fortement associées à la bicouche lipidique et ne peuvent pas facilement se détacher. [9] Ils ne se dissocieront qu'avec un traitement chimique qui casse la membrane. Les protéines périphériques sont différentes des protéines intégrales en ce qu'elles maintiennent de faibles interactions avec la surface de la bicouche et peuvent facilement se dissocier de la membrane. [6] Les protéines périphériques sont situées sur une seule face d'une membrane et créent une asymétrie membranaire.

QUELQUES EXEMPLES DE PROTÉINES DE MEMBRANE PLASMA ET LEURS FONCTIONS
CLASSE FONCTIONNELLE EXEMPLE DE PROTÉINES FONCTION SPÉCIFIQUE
Transporteurs Pompe Na+ pompe activement Na+ hors des cellules et K+ dans
Ancres intégrines lier les filaments d'actine intracellulaire aux protéines de la matrice extracellulaire
Récepteurs récepteur du facteur de croissance dérivé des plaquettes se lie au PDGF extracellulaire et, par conséquent, génère des signaux intracellulaires qui provoquent la croissance et la division de la cellule
Enzymes adénylylcyclase catalyse la production de molécule de signalisation intracellulaire AMP cyclique en réponse à des signaux extracellulaires

Oligosaccharides Modifier

Les oligosaccharides sont des polymères contenant du sucre. Dans la membrane, ils peuvent être liés de manière covalente à des lipides pour former des glycolipides ou liés de manière covalente à des protéines pour former des glycoprotéines. Les membranes contiennent des molécules lipidiques contenant du sucre appelées glycolipides. Dans la bicouche, les groupes sucre des glycolipides sont exposés à la surface des cellules, où ils peuvent former des liaisons hydrogène. [9] Les glycolipides fournissent l'exemple le plus extrême d'asymétrie dans la bicouche lipidique. [10] Les glycolipides remplissent un grand nombre de fonctions dans la membrane biologique qui sont principalement communicatives, notamment la reconnaissance cellulaire et l'adhésion cellule-cellule. Les glycoprotéines sont des protéines intégrales. [2] Ils jouent un rôle important dans la réponse immunitaire et la protection. [11]

La bicouche phospholipidique est formée en raison de l'agrégation de lipides membranaires dans des solutions aqueuses. [4] L'agrégation est causée par l'effet hydrophobe, où les extrémités hydrophobes entrent en contact les unes avec les autres et sont séquestrées loin de l'eau. [6] Cet arrangement maximise la liaison hydrogène entre les têtes hydrophiles et l'eau tout en minimisant le contact défavorable entre les queues hydrophobes et l'eau. [10] L'augmentation de la liaison hydrogène disponible augmente l'entropie du système, créant un processus spontané.

Les molécules biologiques sont amphiphiles ou amphipathiques, c'est-à-dire à la fois hydrophobes et hydrophiles. [6] La bicouche phospholipidique contient des groupes de tête hydrophiles chargés, qui interagissent avec l'eau polaire. Les couches contiennent également des queues hydrophobes, qui rencontrent les queues hydrophobes de la couche complémentaire. Les queues hydrophobes sont généralement des acides gras de longueurs différentes. [10] Les interactions des lipides, en particulier les queues hydrophobes, déterminent les propriétés physiques de la bicouche lipidique telles que la fluidité.

Les membranes dans les cellules définissent généralement des espaces clos ou des compartiments dans lesquels les cellules peuvent maintenir un environnement chimique ou biochimique qui diffère de l'extérieur. Par exemple, la membrane autour des peroxysomes protège le reste de la cellule des peroxydes, des produits chimiques qui peuvent être toxiques pour la cellule, et la membrane cellulaire sépare une cellule de son milieu environnant. Les peroxysomes sont une forme de vacuole trouvée dans la cellule qui contient des sous-produits de réactions chimiques à l'intérieur de la cellule. La plupart des organites sont définis par de telles membranes et sont appelés organites « liés à la membrane ».

Perméabilité sélective Modifier

La caractéristique la plus importante d'une biomembrane est probablement qu'elle est une structure sélectivement perméable. Cela signifie que la taille, la charge et d'autres propriétés chimiques des atomes et des molécules qui tentent de le traverser détermineront s'ils y parviennent. La perméabilité sélective est essentielle pour une séparation efficace d'une cellule ou d'un organite de son environnement. Les membranes biologiques ont également certaines propriétés mécaniques ou élastiques qui leur permettent de changer de forme et de se déplacer selon les besoins.

Généralement, les petites molécules hydrophobes peuvent facilement traverser les bicouches phospholipidiques par simple diffusion. [12]

Les particules nécessaires à la fonction cellulaire mais incapables de se diffuser librement à travers une membrane pénètrent par une protéine de transport membranaire ou sont absorbées par endocytose, où la membrane permet à une vacuole de se joindre à elle et de pousser son contenu dans la cellule. De nombreux types de membranes plasmiques spécialisées peuvent séparer les cellules de l'environnement externe : apicales, basolatérales, présynaptiques et postsynaptiques, membranes des flagelles, des cils, des microvillosités, des filopodes et des lamellipodes, le sarcolemme des cellules musculaires, ainsi que les membranes spécialisées de la myéline et de la colonne vertébrale dendritique de neurones. Les membranes plasmiques peuvent également former différents types de structures "supramembranaires" telles que les cavéoles, la densité postsynaptique, le podosome, l'invadopodium, le desmosome, l'hémidesmosome, l'adhérence focale et les jonctions cellulaires. Ces types de membranes diffèrent par leur composition lipidique et protéique.

Des types distincts de membranes créent également des organites intracellulaires : endosome réticulum endoplasmique lisse et rugueux réticulum sarcoplasmique appareil de Golgi lysosome mitochondrie (membranes interne et externe) noyau (membranes interne et externe) peroxysome vacuole granules cytoplasmiques vésicules cellulaires vésicules recouvertes de COPI et de COPII) et vésicules de sécrétion (y compris synaptosome, acrosomes, mélanosomes et granules de chromaffine). Différents types de membranes biologiques ont des compositions lipidiques et protéiques diverses. Le contenu des membranes définit leurs propriétés physiques et biologiques. Certains composants des membranes jouent un rôle clé en médecine, comme les pompes à efflux qui pompent les médicaments hors d'une cellule.

Fluidité Modifier

Le noyau hydrophobe de la bicouche phospholipidique est constamment en mouvement à cause des rotations autour des liaisons des queues lipidiques. [13] Les queues hydrophobes d'une bicouche se plient et se verrouillent ensemble. Cependant, en raison de la liaison hydrogène avec l'eau, les groupes de tête hydrophiles présentent moins de mouvement car leur rotation et leur mobilité sont limitées. [13] Cela se traduit par une augmentation de la viscosité de la bicouche lipidique plus proche des têtes hydrophiles. [6]

En dessous d'une température de transition, une bicouche lipidique perd de sa fluidité lorsque les lipides hautement mobiles présentent moins de mouvement et deviennent un solide de type gel. [14] La température de transition dépend de composants de la bicouche lipidique tels que la longueur de la chaîne hydrocarbonée et la saturation de ses acides gras. La fluidité dépendante de la température constitue un attribut physiologique important pour les bactéries et les organismes à sang froid. Ces organismes maintiennent une fluidité constante en modifiant la composition des lipides membranaires en acides gras en fonction des différentes températures. [6]

Dans les cellules animales, la fluidité membranaire est modulée par l'inclusion du stérol cholestérol. Cette molécule est présente en quantités particulièrement importantes dans la membrane plasmique, où elle constitue environ 20 % des lipides de la membrane en poids. Parce que les molécules de cholestérol sont courtes et rigides, elles remplissent les espaces entre les molécules de phospholipides voisines laissées par les plis de leurs queues d'hydrocarbures insaturés. De cette façon, le cholestérol a tendance à rigidifier la bicouche, la rendant plus rigide et moins perméable. [5]

Pour toutes les cellules, la fluidité membranaire est importante pour de nombreuses raisons. Elle permet aux protéines membranaires de diffuser rapidement dans le plan de la bicouche et d'interagir entre elles, ce qui est crucial, par exemple, dans la signalisation cellulaire. Il permet aux lipides et aux protéines membranaires de diffuser à partir des sites où ils sont insérés dans la bicouche après leur synthèse vers d'autres régions de la cellule. Il permet aux membranes de fusionner les unes avec les autres et de mélanger leurs molécules, et il garantit que les molécules membranaires sont réparties uniformément entre les cellules filles lorsqu'une cellule se divise. Si les membranes biologiques n'étaient pas fluides, il est difficile d'imaginer comment les cellules pourraient vivre, croître et se reproduire. [5]


Qu'est-ce que la symétrie interne dans les protéines membranaires? - La biologie

Résumé de l'article:

Les cellules sont l'unité de base de la vie. Toutes les cellules ont une caractéristique commune connue sous le nom de membrane perméable sélective externe appelée membrane cellulaire ou membrane plasmique. Presque toutes les cellules eucaryotes contiennent un système plus complexe et compliqué de membranes internes. Ces membranes internes donnent naissance à divers compartiments recouverts de membranes au sein de chaque cellule. Les membranes cellulaires sont principalement composées de lipides et de protéines.

La membrane plasmique sert de frontière entre l'intérieur de la cellule et le liquide extracellulaire qui entoure chaque cellule. Les lipides principalement présents dans la membrane plasmique sont des phospholipides. Ces phospholipides sont amphiphiles, la queue hydrocarbonée de la molécule étant hydrophile, tandis que les têtes polaires sont de nature hydrophile.
1. Les phospholipides les plus courants tels que le cholestérol et la phosphatidyléthanolamine sont présents dans la membrane plasmique.
2. La membrane plasmique a une surface aqueuse sur les deux côtés qui sont à la fois à l'intérieur et à l'extérieur de la cellule. Par conséquent, le phospholipide présent dans la membrane cellulaire forme une structure bicouche phospholipidique avec les queues hydrophobes se faisant face.

Même si toutes les protéines membranaires sont présentes dans la membrane, elles sont structurellement et fonctionnellement différentes les unes des autres. Toute la membrane biologique a la même structure de base en bicouche phospholipidique, qui est associée à un ensemble de protéines membranaires. Ces structures lipidiques et protéiques membranaires permettent à la membrane plasmique d'exercer toutes ses activités biologiques.

Certaines protéines présentes dans la membrane plasmique ne sont liées qu'à la surface de la membrane plasmique, tandis que d'autres ont une région masquée à l'intérieur de la membrane et également des domaines sur l'un ou les deux côtés de celle-ci.

Principalement, des domaines protéiques à la surface de la membrane extracellulaire, et ils contribuent également au mécanisme de signalisation cellulaire. Les domaines protéiques qui se forment à l'intérieur de la membrane, plus spécifiquement qui forment des canaux et des pores dans la membrane, aident au transport des biomolécules à travers les membranes.
Les domaines protéiques qui font face à la face cytosolique de la membrane traitent une variété de fonctions biologiques, telles qu'ils déclenchent les voies de signalisation intracellulaires ou ils agissent également comme des protéines cytosquelettiques.

Les protéines membranaires peuvent être classées en deux types principaux de protéines telles que les protéines intégrales ou en d'autres termes en tant que protéines intrinsèques et périphériques ou extrinsèques selon la nature des interactions des protéines membranaires. La plupart des membranes biomembranaires ou plasmiques ou des membranes cellulaires contiennent les deux types de protéines membranaires.

Protéines membranaires intégrales :

Les protéines membranaires intégrales sont également appelées protéines intrinsèques, car une ou plusieurs parties de ces protéines sont intégrées dans la bicouche phospholipidique de la membrane cellulaire. De nombreuses protéines associées à la membrane plasmique ou à la membrane cellulaire y sont étroitement liées. Les protéines intégrales contiennent également des résidus avec des chaînes latérales hydrophobes qui interagissent avec les groupes acyle gras des phospholipides présents dans la membrane. Cela aide à permettre l'ancrage des protéines fortement dans la membrane cellulaire.

La plupart des protéines intégrales couvrent toute la bicouche phospholipidique. Les protéines transmembranaires présentes dans la membrane plasmique contiennent un ou plusieurs domaines transmembranaires. Ces domaines ont une longueur de quatre à plusieurs centaines de résidus, qui s'étendent également dans le milieu aqueux de part et d'autre de la bicouche.

Deux types de domaines transmembranaires tels qu'une ou plusieurs hélices ou plusieurs brins se trouvent dans les protéines transmembranaires. Les protéines qui contiennent sept hélices à travers la membrane forment une classe très importante et également majeure qui comprend de nombreux récepteurs de surface cellulaire ainsi que la bactériohodopsine.

Certaines des protéines transmembranaires traversent plusieurs fois la membrane cellulaire bicouche et forment un canal hydrophile à travers lequel certains ions ainsi que des molécules peuvent entrer ou sortir de la cellule. Par exemple, tous les récepteurs couplés aux protéines G aiment les récepteurs d'hormones peptidiques. Tous les récepteurs traversent sept fois la membrane cellulaire ou la membrane plasmique.

Les protéines transmembranaires qui forment les portions au sein de la bicouche lipidique sont constituées d'acides aminés hydrophobes. Certaines parties de la protéine transmembranaire qui sont projetées hors de la bicouche phospholipidique sont principalement constituées d'acides aminés hydrophiles. Les protéines qui se projettent dans l'environnement aqueux de la cellule sont généralement constituées de glycoprotéine, qui contient également de nombreux résidus de sucre hydrophiles qui sont attachés à la partie des polypeptides exposée à la surface de la cellule.

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Les références

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Les protéines membranaires représentent une grande partie du protéome, mais ont des caractéristiques problématiques pour de nombreuses méthodes de la biologie moléculaire moderne (qui ont souvent été développées en pensant aux protéines solubles). Pour les études structurales, les faibles niveaux d'expression et la présence de détergent ont été des épines dans la chair de l'expérimentateur de la protéine membranaire. Nous discutons ici de l'utilisation de la cryomicroscopie électronique dans des études révolutionnaires sur les structures des protéines membranaires. Cette méthode peut faire face à des quantités d'échantillon relativement faibles et à la présence de détergent. Jusqu'à récemment, la cryomicroscopie électronique ne pouvait pas fournir de structures à haute résolution de protéines membranaires, mais les développements récents de la technologie du microscope électronique à transmission et du traitement d'images de particules individuelles imagées au microscope ont révolutionné le domaine, permettant d'obtenir des structures à haute résolution. . Ici, nous nous concentrons sur les questions spécifiques entourant l'application de la cryomicroscopie électronique à l'étude des protéines membranaires, en particulier dans le choix d'un système pour maintenir la protéine soluble.

Cryo-microscopie électronique des protéines membranaires. Les électrons traversent l'échantillon et sont focalisés et imagés au microscope électronique à transmission. L'échantillon de protéines membranaires est encapsulé dans une couche microscopique de glace vitreuse. Dans la plupart des cas, des micelles détergentes libres seront présentes ainsi que des complexes protéine/détergent.


Jonctions entre lentilles

E.C. Beyer, V.M. Berthoud, dans Encyclopédie de l'œil, 2010

Insultes causant la cataracte et dommages aux connexines du cristallin

Les protéines du cristallin, y compris les connexines, peuvent accumuler diverses modifications post-traductionnelles avec le vieillissement ou en association avec la formation de cataracte. L'oxydation de la méthionine a été détectée dans les orthologues bovins de CX46 et CX50. Une désamidation de l'asparagine121 a été détectée dans l'orthologue CX50. Cependant, il n'est pas certain que ces modifications se produisent réellement in vivo, car l'oxydation et la désamidation de la méthionine peuvent se produire pendant la préparation de l'échantillon. Les effets de la plupart de ces modifications sur la communication intercellulaire médiée par les jonctions lacunaires sont inconnus.

L'une des étiologies les plus étudiées de la formation de la cataracte est le stress oxydatif, qui peut être lié à des modifications des connexines et des jonctions communicantes. Plusieurs études ont utilisé H2O2 traitement de cellules de lentilles cultivées ou de lentilles isolées pour examiner les conséquences du stress oxydatif. Traitement des cultures contenant des lentoïdes de poulet avec H2O2 entraîne des changements dépendants de la dose et du temps dans le profil d'immunotransfert du poulet CX46, suggérant que H2O2 conduit à sa phosphorylation différentielle. Une forme clivée de cette connexine a été observée suite à un traitement avec des concentrations élevées de H2O2 ceci est également associé à la mort cellulaire. Traitement d'une lignée cellulaire du cristallin exprimant CX43 avec H2O2 conduit à une augmentation de l'activité PKCγ, une augmentation de la phosphorylation de CX43 dans Ser368 telle que détectée par immunoblot, une diminution du nombre de plaques de jonction lacunaire et une diminution du couplage des colorants. Des effets similaires ont également été observés lorsque les lentilles de rat sont traitées avec H2O2. Ainsi, plusieurs données suggèrent que le stress oxydatif entraîne des altérations de la communication intercellulaire du cristallin par l'activation de protéines kinases et des altérations de la phosphorylation des connexines, ce qui peut contribuer à la formation de la cataracte.


L'acidité peut modifier les propriétés de la membrane cellulaire

De toutes les technologies étonnantes que les humains ont développées, aucune n'a égalé la complexité de l'élément fondamental de la nature : la cellule vivante. Et aucune des activités de la cellule ne serait possible sans de fines membranes lipidiques, ou bicouches, qui séparent ses parties et régulent leurs fonctions.

Des changements dans l'emballage des queues dans un réseau hexagonal, rectangulaire-C ou rectangulaire-P sont observés à différents niveaux de pH.

Comprendre et contrôler les propriétés des bicouches est vital pour les progrès de la biologie et de la biotechnologie. Maintenant, une équipe interdisciplinaire de chercheurs de la Northwestern University a déterminé comment contrôler la cristallisation des bicouches en modifiant l'acidité de leur environnement.

La recherche, publiée le 24 septembre dans le Actes de l'Académie nationale des sciences, met en lumière la fonction cellulaire et pourrait permettre des avancées dans l'administration de médicaments et la technologie bio-inspirée.

« Dans la nature, les êtres vivants fonctionnent selon un équilibre délicat : l'acidité, la température, tout son environnement doit être dans des limites spécifiques, sinon ils meurent », a déclaré la co-auteure Monica Olvera de la Cruz, professeure avocate Taylor de science et ingénierie des matériaux, chimie , et (par courtoisie) Génie chimique et biologique à la McCormick School of Engineering de Northwestern. "Lorsque les êtres vivants peuvent s'adapter, cependant, ils sont plus fonctionnels. Nous voulions trouver l'ensemble spécifique de conditions dans lesquelles les bicouches, qui contrôlent une grande partie de la cellule, peuvent se transformer dans la nature." La recherche, publiée le 24 septembre dans le Actes de l'Académie nationale des sciences, met en lumière la fonction cellulaire et pourrait permettre des avancées dans l'administration de médicaments et la technologie bio-inspirée. Comprendre et contrôler les propriétés des bicouches est vital pour les progrès de la biologie et de la biotechnologie. Maintenant, une équipe interdisciplinaire de chercheurs de la Northwestern University a déterminé comment contrôler la cristallisation des bicouches en modifiant l'acidité de leur environnement.

En tirant parti de la charge des groupes de tête des molécules, les chercheurs de Northwestern ont développé une nouvelle façon de modifier les propriétés physiques de la membrane. Ils ont commencé par co-assembler des molécules amphiphiles de dilysine (+2) et de carboxylate (-1) de différentes longueurs de queue dans des membranes bicouches à différents niveaux de pH, ce qui a modifié la charge effective des têtes. Les bicouches sont constituées de deux couches de molécules amphiphiles - des molécules ayant à la fois des propriétés d'aimant et de haine de l'eau - qui forment une coquille cristalline autour de son contenu. En forme de sucette, les molécules amphiphiles possèdent une tête chargée, aimant l'eau (hydrophile) et une queue hydrofuge (hydrophobe). Les molécules formant chaque couche s'alignent queue à queue avec les têtes formant l'extérieur de la membrane. La densité et la disposition des molécules déterminent la porosité, la résistance et d'autres propriétés de la membrane.

Ensuite, en utilisant la technologie de diffusion des rayons X de l'équipe d'accès collaboratif DuPont-Northwestern-Dow (DND-CAT) à la source de photons avancée du laboratoire national d'Argonne, les chercheurs ont analysé la cristallisation résultante formée par les molécules des bicouches.

(Pour produire des images au microscope électronique des structures membranaires, les chercheurs les ont précédemment congelées, mais ce processus demande beaucoup de travail et modifie la fidélité structurelle, ce qui le rend moins pertinent pour comprendre l'assemblage et le comportement de la membrane dans des conditions physiologiques telles qu'elles sont effectuées à l'intérieur du corps humain .)

Les chercheurs de Northwestern ont découvert que la plupart des molécules ne répondaient pas à un changement d'acidité. Mais ceux qui possédaient une longueur de queue critique - une mesure qui correspond au niveau d'hydrophylie des molécules - la charge des têtes des molécules a changé dans la mesure où leur cristallisation bidimensionnelle s'est transformée à partir d'un réseau périodique à motif rectangulaire (trouvé dans des solutions plus basiques) à un réseau hexagonal (que l'on trouve dans des solutions plus acides). Les coquilles avec une symétrie plus élevée, telles que hexagonales, sont plus solides et moins cassantes que celles avec une symétrie moindre. Le changement de pH a également modifié l'épaisseur des bicouches et la compacité des molécules.

La modification de la densité et de l'espacement des molécules dans les membranes pourrait aider les chercheurs à contrôler l'efficacité d'encapsulation et de libération des molécules à l'intérieur d'une vésicule.


Science et biologie : la fonction d'une membrane cellulaire

La fonction d'une membrane cellulaire, également appelée membrane plasmique, est de protéger les structures à l'intérieur de la cellule, de donner forme à la cellule et de soutenir sa structure.

Structures des membranes cellulaires

La membrane cellulaire est composée d'une double couche de lipides et de protéines. Il existe trois types différents de protéines présentes dans une membrane cellulaire : les protéines structurelles, les protéines de transport et les glycoprotéines. Ces couches de lipides et de protéines permettent à la membrane cellulaire de remplir sa fonction principale qui est d'entourer la cellule et de la protéger de l'environnement extérieur. Une membrane cellulaire est sélectivement perméable, ne permettant qu'à certaines substances d'entrer et de sortir de la cellule. Dans certains cas, une membrane cellulaire peut également contrôler la quantité d'une certaine substance autorisée à la traverser.

Fonction d'une membrane cellulaire

La membrane cellulaire ou plasmique est destinée à protéger la cellule de son environnement extérieur, tout en structurant la cellule et en régulant les matériaux qui entrent et sortent de la cellule. Cette régulation garantit que les substances nocives ne pénètrent pas dans la cellule et que les substances essentielles ne quittent pas la cellule. L'oxygène peut facilement traverser la membrane cellulaire, car il est nécessaire à la respiration cellulaire, qui est une fonction principale d'une cellule. Les sous-produits de ces fonctions, tels que le dioxyde de carbone, sont autorisés à sortir de la cellule après la respiration cellulaire. Contrairement à l'oxygène, à l'eau et au dioxyde de carbone, les ions hautement chargés et les macromolécules plus grosses ne peuvent pas traverser directement la membrane cellulaire. Au lieu de cela, ils sont autorisés à entrer dans la cellule via des protéines intégrées dans la membrane. Parce que la membrane cellulaire est essentielle à la protection de la cellule et de sa structure, un trou ou une rupture dans une membrane cellulaire peut empêcher la cellule de fonctionner correctement et éventuellement mourir.

Une autre fonction essentielle d'une membrane cellulaire est la communication ou la signalisation cellulaire. Les protéines réceptrices de la membrane cellulaire se lient à des molécules provenant d'autres régions du corps et communiquent avec elles pour envoyer un signal à l'intérieur de la cellule, indiquant à la cellule d'accomplir une certaine fonction. Les récepteurs d'une membrane cellulaire peuvent être envahis par des virus nocifs, tels que le virus de l'immunodéficience humaine (VIH), provoquant une infection.

La fonction globale d'une membrane cellulaire peut être comparée à la fonction du pont-levis et du mur extérieur d'un château. Tout comme un pont-levis et un mur protègent un château et garantissent que seuls certains individus entrent et sortent du château, la membrane de la cellule offre une protection à la cellule et régule les substances autorisées à entrer et à sortir de la cellule. Cell signaling is similar to using a lookout tower on a castle wall to communicate with neighboring castles.

Cellular Transport

Cellular transport, one of the main functions of a cell membrane, can occur in multiple ways. The first type of cellular transport is passive osmosis and diffusion. This is when substances, such as water and oxygen, pass easily into the cell directly through the cell membrane. The next type of cellular transport is called transmembrane protein transport, which is when small organic molecules are transported into the cell. Endocytosis is the third type of cellular transport. This kind of transport is similar to the cell "eating" other substances and is characterized by the cell engulfing and then absorbing large molecules or even entire other cells. The last type of cellular transport, exocytosis, occurs when a cell removes or secretes substances.


MEMBRANES

Membrane fluidity -- according to the fluid mosaic model, proteins and lipids diffuse in the membrane.

  • preventing ion flux
  • active transport of ions from side to side of the plasma membrane.
  1. Types of molecules that can cross membranes by diffusion:
    • Water and small lipophilic organic compounds can cross.
    • Large molecules ( e.g. proteins) and charged compounds do not cross.
  2. Direction relative to the concentration gradient: movement is DOWN the concentration gradient ONLY (higher concentration to lower concentration).
  3. Rate of diffusion depends on
    • charge on the molecule -- electric charge prevents movement.
    • size -- smaller molecules move faster than larger molecules.
    • lipid solubility -- more highly lipid-soluble molecules move faster.
    • the concentration gradient -- the greater the concentration difference across the membrane, the faster the diffusion.
  4. Direction relative to the membrane: molecules may cross the membrane in either direction, depending only on the direction of the gradient.
  1. Ion channels exist for Na + , K + and Ca ++ movement. These channels are specific for a given ionic species.
  2. Channels consist of protein, which forms a gate that opens and closes under the control of the membrane potential.
  3. Ion movement through channels is always down the concentration gradient.
  1. A carrier must be able to perform four functions in order to transport a substance.
    • Recognition -- to specifically bind the substance that is to be transported.
    • Translocation -- movement from one side of the membrane to the other.
    • Release -- on the other side of the membrane
    • Recovery -- return of the carrier to its original condition so it can go through another cycle of transport.
  2. Terminology: Carriers are also variously called "porters,""porting systems,""translocases,""transport systems" and "pumps."
  3. Carriers resemble enzymes in some of their properties.
    • They are NOT enzymes, as they do NOT catalyze chemical reactions.
    • They are enzyme-like in the following ways. They are specific. They have dissociation constants for the transported substances which are analogous to Km of enzymes. Transport can be inhibited by specific inhibitors. They exhibit saturation, like enzymes do. Diffusion, in contrast, is not saturable, and its rate increases with increasing concentration.
  4. A general model for transport is that the carrier is a protein which changes conformation during the transport process.
  5. Sometimes carriers move more than one molecule simultaneously. Nomenclature:
    • Uniport: a single molecule moves in one direction.
    • Symport: two molecules move simultaneously in the same direction.
    • Antiport: Two molecules move simultaneously in opposite directions.
  1. The characteristics of a carrier operating by passive mediated transport.
    • Faster than simple diffusion
    • Movement is down the concentration gradient only (like diffusion)
    • No energy input is required -- the necessary energy is supplied by the gradient.
    • The carrier exhibits specificity for the structure of the transported substance saturation kinetics specific inhibitability
  2. Examples of passive mediated transport.
    • Glucose transport in many cells. A uniport system Can be demonstrated by the fact that adding substances with structures that resemble the structure of glucose can inhibit glucose transport specifically. It is specific for glucose. The K m for glucose is 6.2 mM (a value in the neighborhood of the blood concentration of glucose, 5.5 mM) The K m for fructose is 2000 mM The transport process involves attachment of glucose outside the cell. Conformational change of the carrier protein. Release of the glucose inside the cell. There is no need to change K m for glucose, since the glucose concentration in the cell is very low.
    • Chloride-bicarbonate transport in the erythrocyte membrane. This is catalyzed by the band 3 protein seen previously. An antiport system: both ions MUST move in opposite directions simultaneously. The system is reversible, and can work in either direction. Movement is driven by the concentration gradient.
  1. There are two sources of energy for active transport.
    • ATP hydrolysis may be used directly.
    • The energy of the Na + gradient may be used in a symport mechanism. The energy of the Na + going down its gradient drives the movement of the other substance. But since the Na + gradient is maintained by ATP hydrolysis, ATP is the indirect source of energy for this process.
  2. The characteristics of a carrier operating by active transport.
    • Can move substances against (up) a concentration gradient.
    • Requires energy.
    • Is unidirectional
    • The carrier exhibits specificity for the structure of the transported substance saturation kinetics specific inhibitability
  3. How can the substance be released from the carrier into a higher concentration than the concentration at which it bound in the first place?
    • The affinity of the translocase for the substance must decrease, presumably by a conformational change of the translocase.
    • This process may require energy in the form of ATP.
  4. Examples of active mediated transport.
    • Ca ++ transport is a uniport system, using ATP hydrolysis to drive the Ca ++ movement. There are two Ca ++ translocases of importance.
      • In the sarcoplasmic reticulum, important in muscle contraction.
      • A different enzyme with similar activity in the plasma membrane.
    • The Na + -K + pump (or Na + -K + ATPase).
      • An antiport system.
      • Importance: present in the plasma membrane of every cell, where its role is to maintain the Na + and K + gradients.
      • Stoichiometry: 3 Na + are moved out of the cell and 2 K+ are moved in for every ATP hydrolyzed.
      • Specificity: Absolutely specific for Na + , but it can substitute for the K + .
      • The structure of the Na + -K + pump is a tetramer of two types of subunits, alpha 2 beta 2 . The beta-subunit is a glycoprotein, with the carbohydrate on the external surface of the membrane.
      • The Na + -K + ATPase is specifically inhibited by the ouabain, a cardiotonic steroid. Ouabain sensitivity is, in fact, a specific marker for the Na + -K + ATPase.
      • The proposed mechanism of the Na + -K + ATPase shows the role of ATP in effecting the conformational change.
        • Na + attaches on the inside of the cell membrane.
        • The protein conformation changes due to phosphorylation of the protein by ATP, and the affinity of the protein for Na + decreases.
        • Na + leaves.
        • K + from the outside binds.
        • K + dephosphorylates the enzyme.
        • The conformation now returns to the original state.
        • K + now dissociates.
    • Na + linked glucose transport is found in intestinal mucosal cells. It is a symport system glucose is transported against its gradient by Na + flowing down its gradient. Both are transported into the cell from the intestinal lumen. Na + is required one Na + is carried with each glucose. The Na + gradient is essential it is maintained by the Na + -K + ATPase.
    • Na + linked transport of amino acids, also found in intestinal mucosal cells, works similarly. There are at least six enzymes of different specificity that employ this mechanism. Their specificity is as follows. Short neutral amino acids: ala, ser, thr. Long or aromatic neutral amino acids: phe, tyr, met, val, leu, ile. Basic amino acids and cystine: lys, arg, cys-cys. Acidic amino acids: glu, asp Imino acids: pro and hypro Beta-amino acids: beta-alanine, taurine.
  1. There are four types of signals.
    • Nerve transmission
    • Hormone release
    • Contraction musculaire
    • Growth stimulation
  2. There are four types of messenger molecules.
    • stéroïdes
    • small organic molecules
    • peptides
    • protéines
  3. The messenger may interact with the cell in either of two ways.
    • Entry into the cell by diffusion through the cell membrane (the steroid hormones do this).
    • Large molecules or charged ones bind to a receptor on the plasma membrane.
  4. The events associated with communication via these molecules may include the following.
    • Primary interaction of the messenger with the cell (binding by a receptor).
    • A secondary event, formation of a second messenger. (this is not always found).
    • The cellular response (some metabolic event).
    • Termination (removal of the second messenger).
  1. Steroids are lipid soluble, and can diffuse through the plasma membrane.
  2. Cells which are sensitive to steroid hormones have specific receptor proteins in the cytosol or nucleus which bind the steroid.
  3. The receptor-hormone complex then somehow causes changes in the cell's metabolism, typically by affecting transcription or translation.
  4. The mechanism of termination is unclear, but involves breakdown of the hormone.
  1. Membrane receptors bind specific messenger molecules on the exterior surface of the cell. Either of two types of response may occur.
    • Direct response: binding to the receptor directly causes the cellular response to the messenger.
    • Second messenger involvement: Binding to the receptor modifies it, leading to production of a second messenger, a molecule that causes the effect.
    • In each case messenger binding induces a conformational change in the receptor protein. Binding of the messenger resembles binding of a substrate to an enzyme in that there is a dissociation constant inhibition (by antagonists) which may be competitive, noncompetitive, etc.
  2. A variety of messengers can bind to various tissues.
    • Various cellular responses may occur, depending on the tissue.
    • Either positive or negative responses may occur, even in the same tissue, depending on the type of receptor.
  3. The response of a cell to a messenger depends on the number of receptors occupied.
    • A typical cell may have about 1000 receptors.
    • Only a small fraction (10%)of the receptors need to be occupied to get a large (50%) response.
    • Receptors may have a dissociation constant of about 10 exp -11 this is the concentration of messenger at which they are 50% saturated. Thus very low concentrations of messengers may give a large response.
  1. The receptor is a complex pentameric protein which forms a channel through the membrane.
  2. Mechanism of action.
      Binding of acetylcholine, a small molecule, at the exterior surface causes the channel to open. (Binding)
  3. Na + and K + flow through the channel, depolarizing the membrane. (Response)
  4. The esterase activity of the receptor then hydrolyses the acetylcholine, releasing acetate and choline, and terminating the effect. (Recovery)
  5. The process can now be repeated.
  1. Definition: This intracellular mediator is called a second messenger .
  2. Effect of second messenger formation: Since a receptor usually forms many molecules of second messenger after being stimulated by one molecule of the original effector, second messenger formation is a means of amplifying the original signal.
  3. The formation and removal of the second messenger can be controlled and modulated.

  1. Structure of cAMP: an internal (cyclic) 3', 5'-phosphodiester of adenylic acid.
  2. The mechanism of action of cAMP is to activate an inactive protein kinase.
    • Animated activation sequence.
    • Since an active protein kinase which acts on many molecules of its substrate is produced, this process is an amplification of the original signal.
    • Since the protein kinase is activated by cAMP it is called protein kinase A.

    The reaction ATP < -> cAMP + PPi is reversible, but subsequent hydrolysis of the PPje

  • G-proteins are a class of proteins that are so named because they can react with GTP. There are G-proteins in addition to the ones under consideration here.
  • G s and G i are so named because they stimulate and inhibit, respectively, adenyl cyclase.
  • Structure: G-proteins are complexes of three different subunits, alpha, beta and gamma. Beta and gamma are similar in the G s and G i proteins. The alpha-subunits are different, and are called alpha s and alpha i , respectively.
  • Mechanism: Receptor-messenger interaction stimulates binding of GTP to the alpha-subunits. The alpha-subunit with its bound GTP then dissociates from the beta-gamma complex. The alpha-subunit with its bound GTP then acts on adenyl cyclase. alpha s -GTP stimulates adenyl cyclase. alpha i -GTP inhibits adenyl cyclase.
  • The alpha-subunit of the G-protein has GTPase activity. After it cleaves the GTP it reassociates with the beta-gamma complex to form the original trimer.
  • cAMP already formed is cleaved by cAMP phosphodiesterase.
  • The hormone gradually and spontaneously dissociates from the receptor.
  1. Animated activation sequence.
  2. IP 3 and DG are synthesized by the enzyme, phospholipase C, which has phosphatidylinositol 4,5-bisphosphate (PIP 2 ) phosphodiesterase activity. PIP 2 is a normal minor component of the inner surface of the plasma membrane.
  3. The phosphodiesterase is controlled by a G-protein in the membrane, which activates the phosphodiesterase.
  4. Mechanism: IP 3 and DG have separate effects.
    • IP 3 releases Ca ++ from the endoplasmic reticulum. The Ca ++ then activates certain intracellular protein kinases.
    • DG activates protein kinase c, a specific protein of the plasma membrane.
    • Note that both IP 3 and DG activate protein kinases, which in turn phosphorylate and affect the activities of other proteins.
  5. Termination of the signal occurs at several levels.
    • IP 3 is hydrolyzed.
    • Ca ++ is returned to the endoplasmic reticulum or pumped out of the cell.
    • The GTPase activity of the G-protein hydrolyses the GTP, terminating the activity of the phospholipase C.
  6. Many systems respond to changes on IP 3 and DG. Be aware of the large number of systems affected.

Structure: The insulin receptor is a tetramer with two kinds of subunits, alpha and beta. Disulfide bridges bind them together.


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