Protéine membranaire périphérique

Insertion membranaire du complexe formé par le domaine d'homologie à la pleckstrine (en) de la phospholipase C delta 4 avec l'inositol (PDB 1MAI[6]). La surface hydrophile cytosolique est représentée par les pointillés orange, la limite entre les couches hydrophile et hydrophobe est matérialisée par les pointillés bleus, et le cœur hydrophobe est marqué par les pointillés noirs.

Les protéines membranaires périphériques peuvent interagir directement avec la bicouche lipidique ou par l'intermédiaire d'autres protéines. Dans le premier cas, on parle de protéines amphitropiques[3]. Certaines protéines, telles que les protéines G et certaines protéine kinases, interagissent simultanément avec la bicouche lipidique et des protéines transmembranaires. Certains peptides antimicrobiens, hormones peptidiques et neurotoxines s'accumulent à la surface de la membrane avant de se rassembler et d'interagir avec leurs récepteurs de surface cellulaire cibles, qui peuvent eux-mêmes être des protéines membranaires périphériques.

La bicouche phospholipidique qui forme la membrane plasmique se compose d'une région centrale hydrophobe prise en sandwich entre deux régions hydrophiles, une sur la face intérieure et l'autre sur la face extérieure de la membrane plasmique. On a montré que les surfaces internes et externes, ou régions interfaciales, de modèles de bicouches de phospholipides ont une épaisseur d'environ 0,8 à 1 nm, bien que cette épaisseur puisse être plus importante dans les membranes biologiques qui contiennent de grandes quantités de gangliosides ou de lipopolysaccharides[7]. La région centrale interne hydrophobe de membranes biologiques typiques peut avoir une épaisseur d'environ 2,7 à 3,2 nm, estimée par diffusion des rayons X aux petits angles (SAXS)[8]. La limite entre la région centrale hydrophobe et les régions interfaciales hydrophiles est très étroite, avec une épaisseur d'environ 0,3 nm. Lorsqu'on quitte la région centrale hydrophobe vers les régions hydrophiles interfaciales, la concentration d'eau effective varie brutalement à travers cette couche limite, passant de presque zéro à une concentration d'environ 2 mol·L^-1[9] - [10]. Les groupes phosphate dans les bicouches phospholipidiques sont entièrement hydratés ou saturés d'eau et sont situés à environ 0,5 nm en dehors de la limite de la région centrale hydrophobe[11].

Certaines protéines hydrosolubles s'associent irréversiblement aux bicouches lipidiques et peuvent former des canaux transmembranaires en hélices α ou tonneaux β. De telles transformations surviennent avec les toxines formant des pores (en), comme la colicine A et l'α-hémolysine. Elles peuvent également se produire pour la Bcl-2–associated X protein, pour certains peptides antimicrobiens amphiphiles et pour certaines annexines. Ces protéines sont généralement décrites comme périphériques car l'un de leurs états conformationnels est soluble dans l'eau ou n'est associé à une membrane que de façon lâche[12].

Phospholipase A₂ de venin d'abeille (PDB 1POC[13]). Les marques jaunes indiquent l'extérieur de la membrane plasmique, tandis que les marques rouges indiquent le domaine aliphatique et les marques noires le plan médian de la bicouche lipidique.

L'association d'une protéine à une bicouche lipidique peut entraîner des changements conformationnels importants affectant la structure tertiaire de la protéine. Il peut s'agir du repliement d'un domaine précédemment déplié ou d'un réarrangement du repliement du domaine de la protéine interagissant avec la membrane. Il peut également s'agir d'une modification de la structure quaternaire, avec le départ ou l'arrivée d'une ou plusieurs sous-unités ou d'oligomères peptidiques, et faire intervenir la liaison spécifique à des ions, des ligands ou des molécules de phosphatidylinositol.

Les protéines amphitropiques doivent généralement interagir fortement avec la bicouche lipidique pour être biologiquement actives. Il peut s'agir du traitement enzymatique de lipides ou d'autres substances hydrophobes, l'ancrage sur la membrane, et la liaison et le transfert de petites molécules apolaire entre différentes membranes cellulaires. Ces protéines peuvent être ancrées à la bicouche par l'intermédiaire d'interactions hydrophobes entre les lipides de la bicouche et les chaînes latérales apolaires des résidus d'acides aminés de la surface de ces protéines, par des liaisons non covalentes particulières avec des lipides régulateurs, ou par ancrage covalent à des lipides membranaires.

La composition lipidique de la membrane conditionne son affinité pour de nombreuses protéines périphériques qui lui sont associées[14].

Liaison protéine-lipide spécifique

Domaine PX de sous-unité p40^phox de NADPH oxydase humaine (PDB 1H6H[18]). Les marques rouges indiquent l'extérieur de la membrane plasmique, tandis que les marques bleues indiquent la transition vers le domaine aliphatique et les marques noires le plan médian de la bicouche lipidique.

Certaines protéines cytosoliques sont recrutées sur des membranes plasmiques par reconnaissance de certains types de lipides spécifiques à ces membranes[19]. La liaison d'une protéine à un lipide spécifique fait intervenir des domaines structurels particuliers ciblant les membranes plasmiques contenant ce lipide, dont la région hydrophile se lie à des poches de liaison spécifiques sur la protéine. Il s'agit d'une interaction protéine–ligand stabilisée par la formation de liaisons hydrogène, des liaisons de van der Waals et des liaisons hydrophobes entre la protéine et le ligand lipidique. Il s'établit également des liaisons ioniques entre les résidus d'aspartate ou de glutamate des protéines et les groupes phosphate des lipides via des cations de calcium Ca²⁺. De telles liaisons ioniques s'établissent lorsque les protéines en solution sont déjà liées à des cations Ca²⁺, avant de se lier aux lipides ; c'est par exemple le cas des domaines C2 (en) et des annexines.

On peut étudier l'orientation et la profondeur d'insertion de nombreux peptides et protéines amphitropiques dans les membranes par site-directed spin labeling (en)[22] (SDSL), marquage chimique, mesure de l'affinité de liaison à la membrane de protéines obtenues par mutagenèse[23], spectroscopie de fluorescence[24], spectroscopie RMN en solution ou à l'état solide[25], spectroscopie infrarouge à transformée de Fourier et réflectance totale atténuée[26] (ATR FTIR), cristallographie aux rayons X ou par diffraction de neutrons[27] et diverses méthodes de modélisation numérique[28] - [29] - [30].

Deux modes d'association protéine-membrane ont été identifiés. Les protéines solubles dans l'eau n'ont généralement pas de résidu d'acide aminé apolaire ni d'ancrage hydrophobe, de sorte qu'elles demeurent entièrement en solution aqueuse et ne pénètrent pas dans la bicouche lipidique. De telles protéines n'interagissent avec les lipides membranaires qu'à travers des interactions électrostatiques, comme l'illustrent les ribonucléases et la polylysine. Cependant, les protéines amphitropiques présentent généralement à leur surface des ancres hydrophobes susceptibles de pénétrer dans le cœur hydrophobe de la bicouche lipidique. Ces protéines « déforment » la bicouche lipidique, ce qui abaisse la température de transition liquide-gel de cette dernière[31]. La formation d'une liaison de ce type est un phénomène généralement fortement exothermique[32]. L'association d'hélices α amphiphiles avec des membranes se produit de la même manière[27] - [33]. Des protéines intrinsèquement désordonnées ou non repliées présentant des résidus non polaires ou des ancres lipidiques peuvent également pénétrer la région interfaciale de la membrane et atteindre le cœur hydrocarboné, notamment lorsque ces peptides sont cationiques et interagissent avec des membranes chargées négativement[34] - [35] - [36].