Membrane plasmique
Protéines membranaires : vue d'ensemble

La membrane plasmique contient des protéines associées à la bicouche lipidique selon des modes d’interaction distincts, définissant des catégories structurales qui ne se recouvrent pas nécessairement.

1. Les protéines membranaires intégrales (ou intrinsèques), associées de manière stable à la membrane, comprennent :

• des protéines transmembranaires, dont un ou plusieurs segments hydrophobes traversent la bicouche,
• des protéines monotopiques, insérées dans un seul feuillet membranaire sans traverser la bicouche,
• des protéines ancrées aux lipides, associées à la membrane par une modification lipidique covalente sans segment transmembranaire.

2. Les protéines membranaires périphériques (ou extrinsèques) ne pénètrent pas dans le cœur hydrophobe de la bicouche et sont associées de manière non covalente à la surface membranaire.

Protéines intégrales (ou intrinsèques)

Les protéines intégrales comprennent :

• les protéines transmembranaires,
• les protéines ancrées aux lipides.

Protéines transmembranaires

Les protéines transmembranaires (TM) traversent la membrane plasmique, comme leur nom l'indique, de part en part.

Ces protéines sont formées de domaines transmembranaires :

• 

  soit d'une ou plusieurs hélices alpha, comme les nombreux récepteurs transmembranaires, comme les récepteurs couplés aux protéines G (GPCR) ou le récepteur de l’insuline,
• soit, plus rarement, de brins β multiples organisés en tonneau β (β barrel) comme dans les porines, par la VDAC mitochondriale.

Protéines monopasses

Généralités

Certaines protéines à passage unique, dites monopasses, ne traversent la membrane qu'une seule fois.

• Les protéines de type I possèdent une extrémité N-terminale du côté extracellulaire et une extrémité C-terminale dans le cytosol, comme le récepteur du LDL, de nombreux récepteurs tyrosine kinases, le récepteur de l’insuline ou la glycophorine.
• Les protéines de type II possèdent une extrémité N-terminale dans le cytosol et une extrémité C-terminale du côté extracellulaire, comme le récepteur de la transferrine ou certaines aminopeptidases membranaires.
• Les protéines TA (Tail-Anchored) constituent un sous-type distinct de protéines monopass caractérisées par un domaine transmembranaire en position C-terminale et une insertion post-traductionnelle.

Cas particulier : protéines TA

Les protéines TA (Tail-Anchored, i.e. ancrées par la queue) constituent un sous-groupe particulier de protéines transmembranaires monopass caractérisées par un unique domaine transmembranaire situé à l’extrémité C-terminale du polypeptide (How tails guide tail-anchored proteins to their destinations 2007).

1. Le domaine transmembranaire situé à l’extrémité C-terminale agit comme un signal d’adressage membranaire après la synthèse complète de la protéine (Capture and delivery of tail-anchored proteins to the endoplasmic reticulum 2021).

Ce segment hydrophobe s’insère dans la bicouche lipidique et ancre la protéine, tandis que l’essentiel de la chaîne polypeptidique, correspondant à la région N-terminale synthétisée en premier, demeure exposé du côté cytosolique.

2. La famille des protéines TA comprend plus de 300 membres chez l'homme, présents dans différentes membranes cellulaires comme celles :

• du réticulum endoplasmique (RE), comme les protéines SNARE, i.e. syntaxine-5 ou Sec61β,
• de l'appareil de Golgi, comme certaines syntaxines golgiennes impliquées dans le trafic vésiculaire,
• de l'enveloppe nucléaire, comme certaines protéines de la membrane nucléaire externe comme les nesprines,
• des mitochondries comme les protéines Bcl-2, Bax ou Fis1 de la membrane externe (OMM),
• des peroxysomes, comme certaines protéines Pex impliquées dans la biogenèse peroxysomale.

3. Ces protéines remplissent diverses fonctions membranaires, notamment dans :

• le trafic vésiculaire intracellulaire comme les protéines SNARE,
• l’apoptose, comme Bcl-2 ou Bax,
• l’autophagie, comme certaines protéines ATG associées aux membranes,
• la biosynthèse des lipides, comme certaines enzymes du réticulum endoplasmique,
• la dégradation des protéines, comme certaines protéines associées au système ERAD.

Protéines multipasses (polytopiques)

Certaines protéines, dites polytopiques, traversent la membrane plusieurs fois (multipasses).

• Les protéines de type III sont constituées de multiples domaines transmembranaires présents dans un seul polypeptide, comme les récepteurs couplés aux protéines G (GPCR), les canaux sodium ou les transporteurs GLUT (Glucose Transporters, famille SLC2).

• Les protéines de type IV sont constituées de plusieurs polypeptides différents assemblés entre eux dans un canal à travers la membrane, comme les canaux ioniques multimériques comme le récepteur nicotinique de l’acétylcholine ou certains canaux potassiques.

Protéines monotopiques

Dans les cellules eucaryotes, certaines protéines intégrales, appelées monotopiques, sont formées d'une chaîne polypeptidique associée à une seule face de la membrane et qui ne traverse pas entièrement la bicouche lipidique.

Les interactions entre les protéines monotopiques et la membrane cellulaire peuvent être assurées :

• par une hélice α amphipathique (AH) parallèle à la membrane, comme la cyclooxygénase (COX) ou certaines enzymes associées aux membranes du RE et de l’enveloppe nucléaire, telles que la phospholipase A2 cytosolique (cPLA2α),
• par une boucle hydrophobe partiellement enfouie dans un feuillet lipidique, comme les cavéolines ou certaines synthases des prostaglandines.

Remarque : les interactions électrostatiques ou ioniques avec les lipides membranaires, à elles seules, caractérisent plutôt des protéines périphériques et ne définissent généralement pas une protéine intégrale.

Protéines ancrées
aux lipides

Les protéines ancrées aux lipides, correspondant aux protéines membranaires de type V, constituent une catégorie de protéines membranaires intégrales associées à la membrane par une liaison covalente avec un groupement lipidique inséré dans la bicouche phospholipidique.

1. Contrairement aux protéines transmembranaires et monotopiques, la chaîne polypeptidique ne pénètre pas dans le cœur hydrophobe de la membrane, mais l’association membranaire est assurée exclusivement par l’ancre lipidique.

Cette modification post-traductionnelle permet une association stable mais potentiellement réversible avec la membrane et joue un rôle important dans la signalisation cellulaire, l’adressage membranaire et l’organisation des microdomaines lipidiques.

2. On distingue principalement :

• l’ancrage par glycosylphosphatidylinositol appelé ancre GPI, localisé sur le feuillet extracellulaire de la membrane plasmique, comme CD55 (DAF), CD59 ou la phosphatase alcaline (glycosylphosphatidylinositol (GPI) et ancres GPI).

• 

  l’acylation lipidique (myristoylation, palmitoylation), correspondant à l’ajout d’acides gras favorisant l’association avec la face cytosolique de la membrane, comme la kinase Src (myristoylation) ou certaines protéines Ras palmitoylées,
• la prénylation (ou isoprénylation), impliquant l’ajout de groupements isoprénoïdes de type farnésyle (C15) ou géranylgéranyle (C20), facilitant l’ancrage membranaire de nombreuses protéines de signalisation, comme les petites GTPases Ras, Rho ou Rab.

3. Les protéines de type VI possèdent à la fois un domaine transmembranaire et une ancre lipidique, comme certaines protéines de signalisation membranaire comme Hedgehog ou certaines protéines virales associées à la membrane.

Protéines périphériques (ou extrinsèques)

Les protéines membranaires périphériques interagissent avec des protéines membranaires intégrales ou avec les groupes polaires des phospholipides de la membrane par des interactions non covalentes.

1. Certaines sont localisées sur la face cytosolique de la membrane plasmique :

• les protéines du cytosquelette, comme l'actine, la spectrine, l'ankyrine…
• certaines kinases, dont l’association membranaire est régulée et joue un rôle important dans la signalisation cellulaire, comme la protéine kinase PKC activée par le diacylglycérol (DAG) et Ca⁺⁺.

2. Certaines protéines périphériques sont localisées à la face extracellulaire (exoplasmique) de la membrane plasmique, notamment des protéines associées à la surface cellulaire ou interagissant avec la matrice extracellulaire.

On peut citer, par exemple, la fibronectine, la laminine, certaines intégrines associées à leurs partenaires extracellulaires ou des protéoglycanes de surface.

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