rôle et importane de l’eau dans les membranes cellulaires · 2009-04-30 · mounir tarek equipe...
TRANSCRIPT
![Page 1: Rôle et importane de l’eau dans les membranes cellulaires · 2009-04-30 · Mounir Tarek EQUIPE DE DYNAMIQUE DES ASSEMBLAGES MEMBRANAIRES UMR 7565 31 Mars 2009 Rôle et importane](https://reader033.vdocuments.site/reader033/viewer/2022050422/5f91594a7217d90d71381f6c/html5/thumbnails/1.jpg)
Mounir TarekEQUIPE DE
DYNAMIQUE DES ASSEMBLAGES MEMBRANAIRES
UMR 7565
31 Mars 2009
Rôle et importance de l’eau dans les membranes cellulaires
![Page 2: Rôle et importane de l’eau dans les membranes cellulaires · 2009-04-30 · Mounir Tarek EQUIPE DE DYNAMIQUE DES ASSEMBLAGES MEMBRANAIRES UMR 7565 31 Mars 2009 Rôle et importane](https://reader033.vdocuments.site/reader033/viewer/2022050422/5f91594a7217d90d71381f6c/html5/thumbnails/2.jpg)
Membranes
• DEUX FEUILLETS VISIBLES AU
MICROSCOPE ÉLECTRONIQUE
• ÉPAISSEUR : 7 À 8 NM
LES MEMBRANES ORGANISENT LES CELLULES
EN COMPARTIMENTS
FONCTIONNELLEMENT DISTINCTS
LES MEMBRANES CONTRÔLENT LES ÉCHANGES ENTRE COMPARTIMENTS
![Page 3: Rôle et importane de l’eau dans les membranes cellulaires · 2009-04-30 · Mounir Tarek EQUIPE DE DYNAMIQUE DES ASSEMBLAGES MEMBRANAIRES UMR 7565 31 Mars 2009 Rôle et importane](https://reader033.vdocuments.site/reader033/viewer/2022050422/5f91594a7217d90d71381f6c/html5/thumbnails/3.jpg)
Structure de base
BICOUCHE LIPIDIQUE
PERMÉABLE UNIQUEMENT AUX PETITES MOLÉCULES HYDROPHOBES
![Page 4: Rôle et importane de l’eau dans les membranes cellulaires · 2009-04-30 · Mounir Tarek EQUIPE DE DYNAMIQUE DES ASSEMBLAGES MEMBRANAIRES UMR 7565 31 Mars 2009 Rôle et importane](https://reader033.vdocuments.site/reader033/viewer/2022050422/5f91594a7217d90d71381f6c/html5/thumbnails/4.jpg)
Membranes
ECHANGES IONIQUES - TRANSPORT D’EAU ET AUTRES MOLÉCULES,
TRANSMISSION DE SIGNAL ,….EAU : RÔLE SECONDAIRE?
![Page 5: Rôle et importane de l’eau dans les membranes cellulaires · 2009-04-30 · Mounir Tarek EQUIPE DE DYNAMIQUE DES ASSEMBLAGES MEMBRANAIRES UMR 7565 31 Mars 2009 Rôle et importane](https://reader033.vdocuments.site/reader033/viewer/2022050422/5f91594a7217d90d71381f6c/html5/thumbnails/5.jpg)
Modélisation moléculaire
)()...,,( 21
N
N UU rrrr
i
NN
i
Uf
rr
r)(
)(
FORCES DERIVANT DU POTENTIEL
)( N
iii fm rr
DYNAMIQUE MOLECULAIRE:
SYSTEME DE N PARTICULES ( ATOMES )
INTERACTION
OBSERVABLES : PRINCIPES DE MÉCANIQUE
STATISTIQUE.
bond
elect
dihed
vd
ben
in
2
w m
d
3
1(
, ( ,
)
)
,
)
)
(
(
k
k
k
i
U F
U U q r
U F
U F
![Page 6: Rôle et importane de l’eau dans les membranes cellulaires · 2009-04-30 · Mounir Tarek EQUIPE DE DYNAMIQUE DES ASSEMBLAGES MEMBRANAIRES UMR 7565 31 Mars 2009 Rôle et importane](https://reader033.vdocuments.site/reader033/viewer/2022050422/5f91594a7217d90d71381f6c/html5/thumbnails/6.jpg)
rôle de l’eau au voisinage des membranes
Une molécule: Multiples fonctions
ElectroporationSTRUCTURE ET INTÉGRITÉ DE LA MEMBRANE
Excitabilite cellulaireFONCTIONNEMENT DE PROTÉINES MEMBRANAIRES
![Page 7: Rôle et importane de l’eau dans les membranes cellulaires · 2009-04-30 · Mounir Tarek EQUIPE DE DYNAMIQUE DES ASSEMBLAGES MEMBRANAIRES UMR 7565 31 Mars 2009 Rôle et importane](https://reader033.vdocuments.site/reader033/viewer/2022050422/5f91594a7217d90d71381f6c/html5/thumbnails/7.jpg)
Eau au voisinage des membranes
RÉGION DES TÈTES POLAIRES:(13Å)
RX- NEUTRONS
ZEau interfaciale
![Page 8: Rôle et importane de l’eau dans les membranes cellulaires · 2009-04-30 · Mounir Tarek EQUIPE DE DYNAMIQUE DES ASSEMBLAGES MEMBRANAIRES UMR 7565 31 Mars 2009 Rôle et importane](https://reader033.vdocuments.site/reader033/viewer/2022050422/5f91594a7217d90d71381f6c/html5/thumbnails/8.jpg)
POTENTIEL ÉLECTROSTATIQUE
Une molécule: Multiples fonctions
CHAMP ÉLECTRIQUE
INTERFACE
(500 mV: Cryo EM) Wang et al. PNAS 2006
EAU
LIPID
![Page 9: Rôle et importane de l’eau dans les membranes cellulaires · 2009-04-30 · Mounir Tarek EQUIPE DE DYNAMIQUE DES ASSEMBLAGES MEMBRANAIRES UMR 7565 31 Mars 2009 Rôle et importane](https://reader033.vdocuments.site/reader033/viewer/2022050422/5f91594a7217d90d71381f6c/html5/thumbnails/9.jpg)
Membrane electro-perméabilisation / rupture/
E
|E| FAIBLE >>
RUPTURE REVERSIBLE
|E| FORT >>
RUPTURE IRREVERSIBLE
![Page 10: Rôle et importane de l’eau dans les membranes cellulaires · 2009-04-30 · Mounir Tarek EQUIPE DE DYNAMIQUE DES ASSEMBLAGES MEMBRANAIRES UMR 7565 31 Mars 2009 Rôle et importane](https://reader033.vdocuments.site/reader033/viewer/2022050422/5f91594a7217d90d71381f6c/html5/thumbnails/10.jpg)
RÉVERSIBLE:VECTORISER DES
MOLÉCULES
IRRÉVERSIBLE:TUER DES MICRO-ORGANISMES
Applications
Lundqvist et al. PNAS 1998 Encycl. of Biomedical Engineering (John Wiley & Sons 2006)
![Page 11: Rôle et importane de l’eau dans les membranes cellulaires · 2009-04-30 · Mounir Tarek EQUIPE DE DYNAMIQUE DES ASSEMBLAGES MEMBRANAIRES UMR 7565 31 Mars 2009 Rôle et importane](https://reader033.vdocuments.site/reader033/viewer/2022050422/5f91594a7217d90d71381f6c/html5/thumbnails/11.jpg)
'
0
''
00
''')(4
)(
Z Z
dZdZZZ
Z [Å]
φ(Z
) [V
]
EN SIMULATIONS ATOMISTIQUES
LE VOLTAGE TM PEUT ÊTRE INDUIT PAR
L'APPLICATION D’UN CHAMP ÉLECTRIQUE
PERPENDICULAIRE À LA MEMBRANE
E
φ(Z
) [V
]
EqF ii
.
Z [Å]
REORIENTATION du DIPOLE DE l’EAU
M. Tarek Biophys. J. 2005
Membranes soumises à un champ électrique
![Page 12: Rôle et importane de l’eau dans les membranes cellulaires · 2009-04-30 · Mounir Tarek EQUIPE DE DYNAMIQUE DES ASSEMBLAGES MEMBRANAIRES UMR 7565 31 Mars 2009 Rôle et importane](https://reader033.vdocuments.site/reader033/viewer/2022050422/5f91594a7217d90d71381f6c/html5/thumbnails/12.jpg)
Q = 0 e- Q = 6 e-
LA MEMBRANE AGIT COMME UN CONDENSATEUR
V= Q/C
CAPACITANCE C 0.85 F/CM2
Membranes soumises à une différence de potentiel
Delemotte et al. JPCB 2008
LE VOLTAGE TM PEUT AUSSI ÊTRE
INDUIT PAR UNE DISTRIBUTION DE
CHARGES ASYMÉTRIQUE
![Page 13: Rôle et importane de l’eau dans les membranes cellulaires · 2009-04-30 · Mounir Tarek EQUIPE DE DYNAMIQUE DES ASSEMBLAGES MEMBRANAIRES UMR 7565 31 Mars 2009 Rôle et importane](https://reader033.vdocuments.site/reader033/viewer/2022050422/5f91594a7217d90d71381f6c/html5/thumbnails/13.jpg)
V=2VV=0V
Champ électrique local
![Page 14: Rôle et importane de l’eau dans les membranes cellulaires · 2009-04-30 · Mounir Tarek EQUIPE DE DYNAMIQUE DES ASSEMBLAGES MEMBRANAIRES UMR 7565 31 Mars 2009 Rôle et importane](https://reader033.vdocuments.site/reader033/viewer/2022050422/5f91594a7217d90d71381f6c/html5/thumbnails/14.jpg)
E
Modéliser l’electroporation
V=2V
![Page 15: Rôle et importane de l’eau dans les membranes cellulaires · 2009-04-30 · Mounir Tarek EQUIPE DE DYNAMIQUE DES ASSEMBLAGES MEMBRANAIRES UMR 7565 31 Mars 2009 Rôle et importane](https://reader033.vdocuments.site/reader033/viewer/2022050422/5f91594a7217d90d71381f6c/html5/thumbnails/15.jpg)
Tarek. M. Biophys. J. 2005
Modéliser l’electroporation
![Page 16: Rôle et importane de l’eau dans les membranes cellulaires · 2009-04-30 · Mounir Tarek EQUIPE DE DYNAMIQUE DES ASSEMBLAGES MEMBRANAIRES UMR 7565 31 Mars 2009 Rôle et importane](https://reader033.vdocuments.site/reader033/viewer/2022050422/5f91594a7217d90d71381f6c/html5/thumbnails/16.jpg)
Reconstitution de la membrane
V=2V
V=0V
PLUS RAPIDE POUR LES PETITS PORES
L’EAU EST D’ABORD REJETÉE DE LA MEMBRANE
ASSOCIATION DES TÊTES POLAIRES PLUS STABLE
![Page 17: Rôle et importane de l’eau dans les membranes cellulaires · 2009-04-30 · Mounir Tarek EQUIPE DE DYNAMIQUE DES ASSEMBLAGES MEMBRANAIRES UMR 7565 31 Mars 2009 Rôle et importane](https://reader033.vdocuments.site/reader033/viewer/2022050422/5f91594a7217d90d71381f6c/html5/thumbnails/17.jpg)
E
Translocation d’un brin d’ADN
V=2V
COMPLEXE ADN/LIPID
Colzio el al. PNAS 2002
FORMATION DE PORES PAR
ELECTROPORATION
NÉCESSAIRE AVANT LA
TRANSLOCATION
![Page 18: Rôle et importane de l’eau dans les membranes cellulaires · 2009-04-30 · Mounir Tarek EQUIPE DE DYNAMIQUE DES ASSEMBLAGES MEMBRANAIRES UMR 7565 31 Mars 2009 Rôle et importane](https://reader033.vdocuments.site/reader033/viewer/2022050422/5f91594a7217d90d71381f6c/html5/thumbnails/18.jpg)
Eau au voisinage des membranes
![Page 19: Rôle et importane de l’eau dans les membranes cellulaires · 2009-04-30 · Mounir Tarek EQUIPE DE DYNAMIQUE DES ASSEMBLAGES MEMBRANAIRES UMR 7565 31 Mars 2009 Rôle et importane](https://reader033.vdocuments.site/reader033/viewer/2022050422/5f91594a7217d90d71381f6c/html5/thumbnails/19.jpg)
Protéine
périphérique
PLA2
Une molécule: Multiples fonctions
Protéine
membranaire
RCPG
Canal
ionique
Henin et al.Biophys. J. 2006
Tarek et al. Biophys. J. 2003Dehez et al. JPCB 2007
![Page 20: Rôle et importane de l’eau dans les membranes cellulaires · 2009-04-30 · Mounir Tarek EQUIPE DE DYNAMIQUE DES ASSEMBLAGES MEMBRANAIRES UMR 7565 31 Mars 2009 Rôle et importane](https://reader033.vdocuments.site/reader033/viewer/2022050422/5f91594a7217d90d71381f6c/html5/thumbnails/20.jpg)
Excitabilité cellulaire et canaux ioniques
• CELLULES EXCITABLES:FAIBLES COURANTS ÉLECTRIQUES
• NEURONES ET FIBRES MUSCULAIRES
POTENTIEL
D’ACTION
Hodgkin and Huxley J. Physiol. (1952)
![Page 21: Rôle et importane de l’eau dans les membranes cellulaires · 2009-04-30 · Mounir Tarek EQUIPE DE DYNAMIQUE DES ASSEMBLAGES MEMBRANAIRES UMR 7565 31 Mars 2009 Rôle et importane](https://reader033.vdocuments.site/reader033/viewer/2022050422/5f91594a7217d90d71381f6c/html5/thumbnails/21.jpg)
Canaux ioniques sensibles à la tension
SÉQUENCES
CANAL NA+
Noda et al. Nature 1984CANAL K+ :Tempel et al. Sience1987
DÉPLACEMENT DE
CHARGES LIÉES AU CANAL
Courant ionique
courant de
charges
![Page 22: Rôle et importane de l’eau dans les membranes cellulaires · 2009-04-30 · Mounir Tarek EQUIPE DE DYNAMIQUE DES ASSEMBLAGES MEMBRANAIRES UMR 7565 31 Mars 2009 Rôle et importane](https://reader033.vdocuments.site/reader033/viewer/2022050422/5f91594a7217d90d71381f6c/html5/thumbnails/22.jpg)
MODEL CONVENTIONNEL
POTENTIEL ÉLECTROSTATIQUE LOCAL
Sigworth, Q. Rev. Biophys. 1994
S4
Canaux ioniques sensibles à la tension
V,GV,GVQ
iii
qV0,GV,GV,G
)r(V
iii
IL SUFFIT
QUE L’ENVIRONNEMENT
LOCAL DES CHARGES VARIE
MODEL “TRANSPORTEUR”
EAU
Starace and Bezanilla Nature 2004
![Page 23: Rôle et importane de l’eau dans les membranes cellulaires · 2009-04-30 · Mounir Tarek EQUIPE DE DYNAMIQUE DES ASSEMBLAGES MEMBRANAIRES UMR 7565 31 Mars 2009 Rôle et importane](https://reader033.vdocuments.site/reader033/viewer/2022050422/5f91594a7217d90d71381f6c/html5/thumbnails/23.jpg)
Channel + membrane + water ~ 160000 atoms
NAMD2 – CHARMM; NPT;
T = 300 K (Langevin dynamics)
P = 1 atm (piston de Langevin)
Periodic boundary conditions (PBC)
Particle-mesh Ewald (PME) (electrostatic)
Verlet-I/r-Respa (1 fs, 2 fs, 4 fs)
64 R14000 500 MHz SGI Origin 3800 – CINES
équilibration repos
activation
ΔV = -100 mV
ΔV = 500 mV
0 3 7 13 20 ns
SIMULATIONS
EE
Treptow et al. Biophys. J. 87: 2365 (2004)
160 000 atomes
Activation in Silico
MODÈLE DE
CANAL KV
![Page 24: Rôle et importane de l’eau dans les membranes cellulaires · 2009-04-30 · Mounir Tarek EQUIPE DE DYNAMIQUE DES ASSEMBLAGES MEMBRANAIRES UMR 7565 31 Mars 2009 Rôle et importane](https://reader033.vdocuments.site/reader033/viewer/2022050422/5f91594a7217d90d71381f6c/html5/thumbnails/24.jpg)
Environnement local de l’Arg362
Starace, et al. Neuron. 1997
Starace, and Bezanilla Nature. 2004
TM
Activation in Silico
![Page 25: Rôle et importane de l’eau dans les membranes cellulaires · 2009-04-30 · Mounir Tarek EQUIPE DE DYNAMIQUE DES ASSEMBLAGES MEMBRANAIRES UMR 7565 31 Mars 2009 Rôle et importane](https://reader033.vdocuments.site/reader033/viewer/2022050422/5f91594a7217d90d71381f6c/html5/thumbnails/25.jpg)
membrane
(A)
(B)
(C)
dépolarisation
S4
S4
S4
S4
S4
S4
S4
S4
membrane
interface
solvant
interface
pore
Potentiel électrostatique Champs électrique
Electrostatique
![Page 26: Rôle et importane de l’eau dans les membranes cellulaires · 2009-04-30 · Mounir Tarek EQUIPE DE DYNAMIQUE DES ASSEMBLAGES MEMBRANAIRES UMR 7565 31 Mars 2009 Rôle et importane](https://reader033.vdocuments.site/reader033/viewer/2022050422/5f91594a7217d90d71381f6c/html5/thumbnails/26.jpg)
Treptow and Tarek Biophys. J. 2006
KV1.2 DANS SON
ENVIRONNEMENT
MEMBRANAIRE
Kv1.2
Kv1.2
POTENTIEL ÉLECTROSTATIQUEKv1.2 Mackinnon Science 2005
Structure du premier canal Kv mammalien
![Page 27: Rôle et importane de l’eau dans les membranes cellulaires · 2009-04-30 · Mounir Tarek EQUIPE DE DYNAMIQUE DES ASSEMBLAGES MEMBRANAIRES UMR 7565 31 Mars 2009 Rôle et importane](https://reader033.vdocuments.site/reader033/viewer/2022050422/5f91594a7217d90d71381f6c/html5/thumbnails/27.jpg)
Propriétés du canal
EN ACCORD AVEC
LES MESURES D’ACCESSIBILITÉ
Cuello et al. Science 2004
MESURES D’ÉLECTROPHYSIOLOGIE
Starace and Bezanilla Nature 2004
![Page 28: Rôle et importane de l’eau dans les membranes cellulaires · 2009-04-30 · Mounir Tarek EQUIPE DE DYNAMIQUE DES ASSEMBLAGES MEMBRANAIRES UMR 7565 31 Mars 2009 Rôle et importane](https://reader033.vdocuments.site/reader033/viewer/2022050422/5f91594a7217d90d71381f6c/html5/thumbnails/28.jpg)
Propriétés du canal
Constriction
MUTATION OF RÉSIDUS CHARGÉE (ARGININES) DONNE LIEU À DES COURANTS DE FUITE
Sokolov et al. Nature 2007Sokolov et al. PNAS 2008
Treptow, Tarek, & Klein, JACS 2009 Conduit hydrophilecapable de transporter des ions
MUTATION
D’UN SEUL
RÉSIDU
PONTS
SALINSARG
![Page 29: Rôle et importane de l’eau dans les membranes cellulaires · 2009-04-30 · Mounir Tarek EQUIPE DE DYNAMIQUE DES ASSEMBLAGES MEMBRANAIRES UMR 7565 31 Mars 2009 Rôle et importane](https://reader033.vdocuments.site/reader033/viewer/2022050422/5f91594a7217d90d71381f6c/html5/thumbnails/29.jpg)
COMPRENDRE LES MÉCANISMES MOLÉCULAIRES DUES A L’EFFET DE MUTATIONS
GÉNÉTIQUES IMPLIQUÉES DANS DES PATHOLOGIES TYPE PARALYSIE OU ÉPILEPSIE
Mutations génétiques
Channel Gene Disease Mutation Location Reference
Kv7.1 KCNQ1 Long QT 1 R231C S4 R2 5Kv7.2 KCNQ2 BNFS-Myokymia R207W/Q S4 R2
6, 7BNFS R214W S4 R5
Kv11.1 KCNH2 Long QT 2 K525N S4 R05
R528P S4 R1
Nav1.1 SCN1A Generalized Epilepsy with febrile seizures plus
R859C IIS4 R18, 9
R1648H IVS4 R5
Nav1.4 SCN4A Hypo PP type II R669H IIS4 R1 10R672H/G/S IIS4 R2 11, 12
Potassium sensitive Normo PP R675G/Q/W IIS4 R3 13Hyper PP – Paramyotonia congenita R1448C/H IVS4 R1 8,9,14
Nav1.5 SCN5A Long QT 3 R225Q IS4 R35
R1623Q IVS4 R0
Cav1.1 CACNA1S Hypo PP type I R528H/G IIS4 R115
R1239H/G IVS4 R2
Cav1.2 CACNA1A Familial hemiplegic Migraine/ progressive cerebral ataxia
R192Q IS4 R1
16-18R583Q IIS4 R1
R1347Q IIIS4 R1
![Page 30: Rôle et importane de l’eau dans les membranes cellulaires · 2009-04-30 · Mounir Tarek EQUIPE DE DYNAMIQUE DES ASSEMBLAGES MEMBRANAIRES UMR 7565 31 Mars 2009 Rôle et importane](https://reader033.vdocuments.site/reader033/viewer/2022050422/5f91594a7217d90d71381f6c/html5/thumbnails/30.jpg)
Conclusion
Dans les membranes cellulaires,
Eau interfaciale stabilité et l’intégrité de la membrane
à l’origine de sa rupture en cas de stress électrostatique.
Eau non restreinte aux milieux intra et extracellulaires
le fonctionnement de protéines transmembranaires
Impliquée dans leur disfonctionnement
![Page 31: Rôle et importane de l’eau dans les membranes cellulaires · 2009-04-30 · Mounir Tarek EQUIPE DE DYNAMIQUE DES ASSEMBLAGES MEMBRANAIRES UMR 7565 31 Mars 2009 Rôle et importane](https://reader033.vdocuments.site/reader033/viewer/2022050422/5f91594a7217d90d71381f6c/html5/thumbnails/31.jpg)
Werner Treptow (These + Postdoc)(Assistant Professor . Brasilia University)
Lucie Delemotte (Master. These)
Remerciements