La membrane plasmique

Introduction

La membrane plasmique (MP) est la frontière de la cellule : elle sépare le milieu intracellulaire du milieu extracellulaire. Loin d'être une simple enveloppe passive, c'est une structure hautement organisée qui contrôle les échanges, reçoit les signaux et assure la reconnaissance entre cellules. Son intérêt dépasse largement la biologie fondamentale. C'est sur la membrane plasmique qu'agissent la majorité des médicaments, par l'intermédiaire de récepteurs, de canaux ou de pompes. C'est elle qui porte les antigènes de groupe sanguin et du système HLA, donc les déterminants de la compatibilité transfusionnelle et de la greffe. C'est enfin la modification de sa surface qui accompagne la transformation cancéreuse. Nous étudierons successivement sa morphologie, sa composition chimique — après un rappel des constituants cellulaires — puis son organisation moléculaire et ses deux grandes propriétés : l'asymétrie et la fluidité.

I. Morphologie

A. En microscopie optique

• La MP n'est pas visible en tant que telle : son épaisseur totale, comprise entre 15 et 20 nm, est inférieure au pouvoir séparateur du microscope optique (0,1 μm).
• On observe cependant une limite cellulaire, par contraste entre la cellule et le milieu extracellulaire ; sur cellule fixée et colorée, ce contraste est accentué par l'adsorption du colorant sur la MP.

B. En microscopie électronique à transmission — coupes minces

• La MP apparaît comme une membrane TRILAMELLAIRE (à trois feuillets) de 7,5 nm d'épaisseur.
• Elle comprend deux feuillets denses (opaques aux électrons) de 2,0 nm chacun, séparés par un feuillet clair de 3,5 nm.
• Au contact du feuillet externe s'observe une couche d'aspect fibrillaire, épaisse de 5 à 20 nm selon le type cellulaire : le revêtement cellulaire (cell coat).

C. En microscopie électronique — cryofracture et cryodécapage

Principe. L'échantillon subit successivement : congélation à −196 °C dans l'azote liquide ; fracture au couteau sous vide poussé ; ombrage de la surface de fracture par du platine-carbone vaporisé ; puis réplique — le tissu est éliminé par digestion enzymatique ou par un solvant organique, et ce qui reste est déposé sur une grille pour être observé au MET.

• Résultat 1 : le trait de fracture a tendance à passer par le feuillet moyen de la membrane, ce qui indique qu'il s'agit d'une structure de moindre résistance.
• Résultat 2 : la surface observée est parsemée de particules en relief de 5 à 8 nm, qui correspondent aux protéines. Elles peuvent être dispersées ou groupées selon le pH de la solution tampon.

II. Composition chimique

A. Proportions

L'étude a d'abord été menée sur le globule rouge, dont la fraction membranaire est obtenue par centrifugation :

• 40 % de lipides et glycolipides.
• 60 % de protéines et glycoprotéines.
• Pour les autres cellules, les proportions sont habituellement voisines de 50 % / 50 %.

B. Les lipides membranaires

La plupart sont amphiphiles : une tête hydrophile et une queue hydrophobe. On distingue :

• Preuve du rôle du cholestérol : certaines lignées cellulaires en culture sont incapables d'en synthétiser ; il faut alors en ajouter au milieu, faute de quoi leur MP se lyse rapidement.

C. Les protéines membranaires

Beaucoup sont glycosylées. Séparées par électrophorèse, elles se répartissent en plusieurs catégories fonctionnelles :

• Protéines de transport.
• Protéines à activité enzymatique.
• Récepteurs de messagers chimiques.
• Protéines d'ancrage.

III. Organisation moléculaire : le modèle de la mosaïque fluide

A. Les lipides forment spontanément des bicouches

• En présence d'eau, les phospholipides forment spontanément des monocouches, bicouches, micelles ou liposomes, selon les modalités expérimentales.
• Les bicouches lipidiques et les membranes des liposomes sont des membranes artificielles. Des protéines membranaires ajoutées aux phospholipides s'y associent pour former la membrane du liposome.

B. La MP est une mosaïque (Singer et Nicolson, 1972)

« Mosaïque » signifie mélange de lipides et de protéines. On compte environ 100 molécules de lipides pour une molécule protéique.

• Les lipides sont disposés en bicouche, pôles hydrophobes (queues) se faisant face et formant le feuillet clair moyen, têtes hydrophiles de part et d'autre formant les feuillets denses interne et externe — ce qui rend compte exactement de la structure trilamellaire vue en coupe mince.
• Les protéines intégrées (intrinsèques ou transmembranaires) traversent la bicouche, habituellement sous forme d'hélices α. Elles peuvent être :
• à traversée unique — protéines bitopiques ;
• à traversées multiples — protéines polytopiques, comme les récepteurs couplés aux protéines G, 7 fois transmembranaires (R7TM) ;
• quelques rares protéines dites monotopiques n'émergent que d'un seul côté de la bicouche (cytochrome b5).
• Les protéines intégrées sont amphiphiles : partie moyenne hydrophobe enfouie dans la bicouche, extrémités hydrophiles au contact des phases aqueuses cytosolique et extracellulaire. Celles dont l'extrémité NH₂ est cytosolique sont de type I, les autres de type II.
• Les protéines périphériques (extrinsèques) peuvent être du côté cytosolique ou extracellulaire. Certaines sont liées à des protéines intégrées ; d'autres sont liées par liaisons covalentes à des lipides — du côté extracellulaire par un GPI (glycosylphosphatidylinositol), du côté cytosolique par un acide gras.

C. La MP est asymétrique

• Les protéines périphériques sont différentes au niveau des deux faces.
• Les oligosaccharides des glycolipides et des glycoprotéines sont situés sur la face EXTRACELLULAIRE ; ils contribuent au revêtement cellulaire.
• Les éventuels ponts disulfures (–S–S–) des protéines sont TOUJOURS extracellulaires.
• Les acides gras insaturés sont plus nombreux dans l'hémicouche interne.

D. Le revêtement cellulaire (glycocalix, cell coat)

Il correspond à l'affleurement, du côté extracellulaire : des protéines périphériques externes, des oligosaccharides des glycolipides et des glycoprotéines, et des GAG des protéoglycanes.

• Protection chimique de la MP : seules l'hyaluronidase et la neuraminidase peuvent la lyser.
• Charge de surface négative, essentiellement due à l'acide sialique (acide neuraminidique).
• Activités enzymatiques.
• Adhérence cellulaire.

E. La MP est fluide

Tous ses constituants sont mobiles.

• Mobilité des lipides — mise en évidence par résonance de spin électronique (RSE) : un traceur lipidique portant un groupe nitroxyde (« reporter ») est incorporé à la membrane et ses déplacements sont enregistrés. Quatre types de mouvements sont observés :

• Facteurs augmentant la mobilité latérale, donc la fluidité : l'élévation de la température, la teneur en cholestérol et la proportion d'acides gras insaturés.
• Mobilité des protéines : les protéines intégrées effectuent une diffusion latérale et une rotation, mais le flip-flop n'existe PAS pour les protéines.

F. L'expérience de l'hétérocaryon

Des cellules humaines et des cellules de souris, placées en culture en présence du virus Sendaï inactivé ou de polyéthylène-glycol, fusionnent pour former des cellules hybrides, les hétérocaryons. Les protéines sont marquées par des anticorps couplés à des fluorochromes : vert pour la souris, rouge pour l'homme.

• À 37 °C, au début de l'expérience, une moitié de la surface est verte et l'autre rouge ; 40 minutes plus tard, les deux fluorescences sont alternées — les protéines ont diffusé.
• À 4 °C après la fusion, les fluorescences ne diffusent pas : l'aspect reste celui de l'état initial. La fluidité est donc dépendante de la température.

Conclusion

La membrane plasmique se présente en microscopie électronique comme une structure trilamellaire de 7,5 nm, doublée à l'extérieur d'un revêtement cellulaire. Sa composition — de l'ordre de 40 % de lipides et 60 % de protéines dans le globule rouge — et son organisation en mosaïque fluide rendent compte de toutes ses propriétés : les lipides en bicouche assurent l'étanchéité et la fluidité, les protéines assurent le transport, la catalyse, la réception des signaux et l'ancrage. Deux caractères sont à retenir absolument, car ils commandent la fonction : l'asymétrie, qui distingue radicalement les deux faces — les sucres et les ponts disulfures sont toujours extracellulaires —, et la fluidité, qui permet aux constituants de diffuser et d'interagir. C'est parce que la membrane est asymétrique et perméable de façon contrôlée qu'elle peut réaliser les transports membranaires, objet du chapitre suivant.