STRUCTURES ET FONCTIONS DES MEMBRANES BIOLOGIQUES

Les membranes biologiques ou cellulaires permettent à une cellule de créer des barrières soit entre l’intérieur et l’extérieur de la cellule, soit entre deux compartiments intracellulaires. En effet, alors que la membrane plasmique délimite le compartiment cellulaire, des membranes biologiques assez semblables forment les nombreux compartiments de la cellule eucaryote : noyau, mitochondrie, appareil de Golgi, lysosome, peroxysome, réticulum endoplasmique, vacuoles, chloroplastes et vésicules. Les membranes cellulaires ne sont pas uniquement des barrières physiques, mais également des structures actives capables d’assurer un certain nombre de fonctions dont la réception de l’information, le contrôle des échanges moléculaires et la capacité de mouvement et d’expansion. Le taux de chaque type de membrane biologique dans une cellule eucaryote reflète la spécialisation
fonctionnelle des divers types de tissus.

La membrane plasmique, par exemple, est une enveloppe de faible épaisseur (≈ 7.5 nm) et apparaît, à très fort grossissement (≈ 80000 fois), constituée par deux feuillets denses de 2 à 2.5 nm d'épaisseur (têtes polaires des phospholipides) séparés par un feuillet clair de 3 à 3.5 nm (les 2 queues d’acides gras) : structure tripartite ou trilamellaire. Le feuillet dense le plus externe est souvent doublé d'une couche de microfibrilles de 1.5 nm de diamètre, implantées perpendiculairement à la surface : cell coat (littéralement "manteau cellulaire") ou glycocalyx.

Toutes les membranes cellulaires sont composées de lipides et de protéines, et elles possèdent une structure générale commune. Les lipides sont organisés en une double couche ou bicouche qui constitue la structure de base, et elle sert de barrière sélectivement perméable. Les protéines membranaires sont intégrées ou non dans la bicouche lipidique, et elles assument la plupart des autres fonctions de la membrane. La nature et les proportions des protéines donnent aux différentes membranes biologiques leurs caractéristiques propres.


Les membranes biologiques ne sont pas des structures figées mais des ensembles
fluides, au sein desquels la plupart des molécules peuvent se déplacer à peu près librement.
SINGER et NICOLSON, en 1972, ont décrit ce modèle d'organisation comme une "mosaïque
fluide".

La fluidité de la membrane plasmique lui permet de réparer les portions de membrane endommagées par les agents pathogènes ou autres incidents physiologiques ; elle offre aussi à la cellule la possibilité de se diviser et de changer de forme dans les cas de la différenciation cellulaire ou d’un déplacement. La circulation vésiculaire à l’origine des flux membranaires est également possible grâce au caractère fluide des membranes biologiques.



I. La double couche lipidique

   1. Structure :

Les trois principaux types de lipides qui constituent la bicouche sont les phospholipides (les plus abondants), le cholestérol et les glycolipides. Les molécules constituant ces trois types de lipides comportent à la fois un pôle hydrophile (qui présente une affinité pour l'eau) et un pôle hydrophobe (sans affinité pour l'eau). Les lipides membranaires les plus abondants sont les phospholipides qui dérivent de l'acide phosphatidique, structure correspondant à un glycérol phosphorylé, auquel sont ajoutés d'un côté deux "queues" hydrophobes d'acides gras et de l'autre une molécule qui distingue les phospholipides entre eux. La phosphatidylcholine est le type le plus fréquent de phospholipides dont la molécule distinctive est la choline (alcool comportant 3 groupes méthyles "-CH3" liés à un atome d’azote). Les acides gras formant les queues hydrophobes sont nombreux et leur longueur varie entre 12 et 24 atomes de carbone. L'une des deux queues d’un phospholipide étant parfois coudée en raison de la présence de doubles liaisons insaturées.



Les autres phospholipides sont la phosphatidyléthanolamine, la phosphatidylsérine, la sphingomyéline, le phosphatidylglycérol et le phosphatidylinositol (très peu présent).


La sphingomyéline, qui contient de la choline, est un sphingophospholipide trouvé en abondance dans le système nerveux. La liaison amide de l’acide gras sur la fonction NH2 de la sphingosine donne la céramide. L’encombrement et les propriétés physicochimiques de cette molécule sont identiques à ceux des glycérophospholipides.



Les principaux lipides membranaires ont une distribution variable selon le type cellulaire, la nature de la membrane biologique considérée et la monocouche lipidique en question (extracellulaire, cytosolique ou donnant sur la lumière des cavités).



La biosynthèse des phospholipides se déroule dans la face cytosolique de la membrane qui délimite les cavités du réticulum endoplasmique, surtout le lisse : La plus grande partie des enzymes intervenant dans la biosynthèse des acides gras et des phospholipides se trouve dans cette face hyaloplasmique. Ainsi, dans un premier temps, les phospholipides néosynthétisés se trouvent localisés à ce niveau. Dans un deuxième temps, certains d'entre eux basculent dans l'autre partie de la bicouche. On pense qu'une protéine de transfert spécifique pourrait rendre possible ce phénomène (les flippases). Les phospholipides ainsi incorporés au niveau du réticulum peuvent ensuite être transmis à la membrane plasmique, via l'appareil de Golgi et les vésicules de sécrétion. Il semble que le transfert de phospholipides du réticulum vers les mitochondries se fasse principalement sous forme soluble, grâce à des protéines de transfert spéciales, plutôt qu'au moyen de vésicules.


Les molécules hydrophiles se dissolvent facilement dans l’eau car elles contiennent des atomes chargés ou des groupements polaires (distribution inégale de charges positives et négatives) qui peuvent former des liaisons électrostatiques ou des liaisons hydrogène avec des molécules d’eau, elles mêmes polaires. Les molécules hydrophobes, à l’inverse, sont insolubles dans l’eau car presque tous leurs atomes sont non chargés ou non polaires.

Ainsi, grâce à leur caractère amphipathique (c’est-à-dire à la fois hydrophile et hydrophobe), les phospholipides s’assemblent spontanément en double couche quand ils sont placés dans de l’eau, formant des compartiments fermés qui se ressoudent s’ils sont coupés (liposomes). La structure des lipides membranaires en double couche est donc une conséquence du comportement des molécules lipidiques dans un environnement aqueux.

Dans les membranes cellulaires, il existe trois classes principales de lipides : les phospholipides, les stérols (comme le cholestérol) et les glycolipides, qui possèdent un sucre comme tête hydrophile.

2. La fluidité de la bicouche lipidique :

La double couche lipidique est fluide, et les molécules lipidiques individuelles sont capables de tourner sur leur axe (rotation), de faire des flexions (queues hydrophobes) et de diffuser dans leur propre monocouche ; cependant, elles ne basculent pas spontanément d’une couche à l’autre (mouvement de "flip-flop").

Si la température est diminuée, la baisse de l’énergie thermique diminue la vitesse du mouvement des lipides, ce qui rend la double couche moins fluide. Aussi, la fluidité dépend de la nature des queues hydrocarbonées : plus les queues sont courtes (nombre d’atomes de carbone réduit) et portent davantage de doubles liaisons (insaturées), plus la fluidité membranaire augmente. Un troisième facteur module la fluidité membranaire, c’est la présence du cholestérol. Cette molécule est présente dans la membrane plasmique où elle remplie les espaces libérés par les queues hydrocarbonées insaturées des phospholipides. Ainsi, le cholestérol rigidifie la double couche et la rend moins fluide et moins perméable (diminution de la perméabilité aux petites molécules hydrosolubles). Le cholestérol peut être très présent, jusqu’à une molécule par molécule de phospholipide ; il empêche, par ailleurs, la cristallisation de la membrane aux très basses températures en inhibant les éventuels
changements de phase.


La fluidité offre un moyen simple de distribution des lipides et des protéines membranaires par diffusion à partir des sites où ils sont insérés dans la double couche après leur synthèse vers d’autres régions de la cellule. Les cellules adaptent la fluidité de leurs membranes en modifiant leur composition lipidique : quand la température s’élève, les cellules (comme les bactéries et les levures) fabriquent des lipides membranaires ayant une queue plus longue et qui contient moins de doubles liaisons.

3. L’asymétrie de la bicouche lipidique :

Les deux couches de la bicouche lipidique possèdent une composition lipidique différente, traduisant les fonctions différentes des deux faces d’une membrane cellulaire.

L’asymétrie lipidique résulterait d’un transfert sélectif, entre les deux couches de la bicouche lipidique, des phospholipides nouvellement synthétisés. Ce transfert est catalysé par des enzymes appelées flippases.


Toutefois, l’asymétrie lipidique la plus marquée et la plus stable est constituée par la localisation exclusive des glycolipides dans la monocouche externe de la membrane plasmique (glycocalyx).

L’asymétrie de la bicouche lipidique implique la formation préférentielle des courbures des membranes en fonction de la forme des lipides.


4. Les "Radeaux" lipidiques :

Les radeaux lipidiques (lipid raft) consistent en des micro-domaines de la bicouche lipidique maintenus par des chaînes longues et saturées de lipides (comme les sphingolipides) qui donnent à la membrane plus d’épaisse (≈ 70 nm de diamètre). Ils ont un caractère très dynamique en composition et en dimension, il s’agit de plateformes idéales pour favoriser la formation de complexes protéiques (et lipidiques) fonctionnels et dynamiques.


5. L’imperméabilité de la bicouche lipidique :

La double couche lipidique est imperméable à tous les ions et à toutes les grosses molécules polaires (chargées), mais elle est perméable aux petites molécules non polaires comme l’oxygène et le dioxyde de carbone, et à de très petites molécules polaires (non
chargées) comme l’eau et l’éthanol.


II. Les protéines membranaires

Si la double couche lipidique constitue la structure fondamentale de toutes les membranes cellulaires, la plupart des fonctions membranaires sont assurées par des protéines spécialisées : transport, ancrage des éléments du cytosquelette, réception des signaux chimiques, reconnaissance et adhésion cellulaires et activité enzymatique. L’abondance d’un type ou l’autre de protéines dans une membrane cellulaire traduit souvent une particularité de son fonctionnement.

Souvent glycosylées, les protéines représentent, en général, 50 % de la masse membranaire même si ce pourcentage peut varier de 20% (myéline) à 75% (membrane interne des mitochondries). On compte environ 50 molécules de lipides pour une molécule de protéine.



Les protéines membranaires sont soit intrinsèques (transmembranaires ou intégrées) agissant des 2 côtés de la membrane (transport de molécules ou récepteurs) soit extrinsèques (périphériques) associées aux lipides et/ou protéines d'une seule face de la membrane (médiation chimique intracellulaire).



1. Association à la bicouche lipidique :

Les protéines transmembranaires traversent la double couche lipidique, habituellement sous forme d’une ou plusieurs hélices a (segments transmembranaires), mais parfois sous forme d’un feuillet b en tonneau. Possédant une orientation définie dans la membrane, elles présentent à la fois des régions hydrophobes (situées à l’intérieur de la bicouche lipidique) et hydrophiles (exposées à l’environnement aqueux de chaque côté de la membrane).
Les protéines membranaires extrinsèques ne traversent pas la double couche lipidique
mais sont attachées à l’un ou à l’autre côté de la membrane, soit par une association non
covalente avec d’autres protéines membranaires, soit par une liaison covalente avec des
lipides :
• Fixation électrostatique avec des protéines transmembranaires ;
• Fixation covalente directe à des acides gras (face cytosolique) :
- acides gras (via glycine / N terminal) : acylation,
- groupement prényl ou farnésyle (acides gras insaturé, via cystéine / C
terminal) : prénylation.
• Fixation par un groupement d’ancrage (face extracellulaire) : liaison covalente entre
une protéine ancrée et un glycosyl-phosphatidyl-inositol : ancre GPI.



2. Le caractère transmembranaire des protéines :

Les segments transmembranaires de la chaîne polypeptidique sont principalement composés d’acides aminés ayant des chaînes latérales hydrophobes. Toutefois, les liaisons peptidiques qui unissent les acides aminés successifs d’une protéine sont normalement polaires, rendant le squelette polypeptidique hydrophile. Ainsi, la grande majorité des segments transmembranaires des chaînes polypeptidiques traversent la double couche lipidique sous forme d’hélice a où les chaînes latérales hydrophobes des acides aminés sont exposées à l’extérieur de l’hélice, en contact avec les queues lipidiques hydrophobes, tandis que des parties du squelette polypeptidique forment des liaisons hydrogène entre elles à l’intérieur de l’hélice.



En associant plusieurs segments transmembranaires en hélicea, une protéine intégrée peut former un pore hydrophile transmembranaire qui permet à des molécules hydrosolubles de traverser la membrane.

La chaîne polypeptidique de certaines protéines transmembranaires traverse la double couche lipidique sous forme de feuillet b dessinant un large canal cylindrique. L’exemple le plus frappant est celui des porines, qui forment de grands pores remplis d’eau à travers la membrane externe des mitochondries et de certaines bactéries, où elles permettent le passage des nutriments et des petits ions.

3. Extraction et purification :

Pour connaître la structure d’une protéine, il est nécessaire de la séparer de toutes les autres protéines. La séparation des protéines membranaires implique la solubilisation de la membrane par des détergents (petites molécules amphipathiques semblables aux lipides) qui détruisent la double couche lipidique en rompant les associations hydrophobes.



Les complexes protéine-détergent qui se forment peuvent être alors séparés les uns des autres et des complexes lipide-détergent par une technique comme l’électrophorèse sur gel de polyacrylamide-SDS (SDS-PAGE, Sodium Dodécyl Sulfate-PolyAcrylamide Gel Electrophoresis) : purification.

La SDS-PAGE permet la détermination de la taille et de la composition en sous-unités d’une protéine. La séparation de protéines se réalise en condition dénaturante, en présence du SDS, par ajout du beta-mercaptoéthanol qui défait les ponts disulfures. La dénaturation enrobe aussi les protéines de charges (-) rendant la séparation des protéines dépendante uniquement du facteur taille, il y a donc suppression des facteurs forme et charge moléculaires lors de la migration. Ainsi, les complexes protéines-SDS chargés négativement atteignent rapidement une vitesse de migration qui dépend de la taille moléculaire et de l’effet filtration de la plaque de gel. La taille des pores de la plaque, en effet, limite la vitesse de migration (le % de polyacrylamide dans le gel dépend de la taille des macromolécules à séparer). L’évaluation des masses moléculaires des protéines séparées utilise des standards, c’est-à-dire des mélanges de protéines de masses moléculaires connues. La masse moléculaire (m) est exprimée en Dalton (Da, 1 Dalton = 1/12 de la masse du carbone 12).

La révélation des protéines séparées dans le gel se fait par utilisation d’une coloration au bleu de Coomassie, au nitrate d’argent (plus sensible), ou de nouveaux colorants fluorescents. Pour la détection spécifique des protéines séparées l’utilisation d’anticorps de haute affinité marqués donne de bons résultats (western blot). Lorsqu’il existe des bandes protéiques très proches (chevauchement), la séparation par électrophorèse SDS-PAGE unidimentionnelle est remplacée par la combinaison de séparations dans deux dimensions : Électrophorèse bi-dimensionnelle.


4. Mouvements des protéines membranaires :

Des expériences de fusion cellulaire ont démontré que, comme les lipides, les protéines peuvent se mouvoir latéralement mais avec des taux de diffusion latérale relativement faibles.


On a constaté, dans certains types cellulaires, que cette diffusion latérale peut être limitée par des dispositifs spéciaux. C'est le cas, par exemple, dans les épithéliums, où certaines protéines sont exclusivement localisées sur la face apicale des cellules, alors que d'autres restent localisées sur les faces latérales et basales. Cette ségrégation est rendue possible grâce à la présence des complexes de jonction. Les cellules possèdent d’autres moyens pour immobiliser des protéines particulières en les attachant à des macromolécules intracellulaires (C) ou extracellulaires (B), en formant des agrégats protéiques (A) ou en confinant les protéines dans la structure des jonctions d’adhésion (D).

5. Cortex cellulaire :

La plupart des membranes cellulaires sont soutenues, du côté cytosolique, par un réseau de protéines, le cortex cellulaire, qui leur est attaché par l’intermédiaire des protéines transmembranaires. Ce cortex cellulaire, en plus de renforcer la membrane plasmique, permet à certaines cellules de changer activement de forme et de se déplacer. Un exemple en est le réseau de protéines fibreuses formant le cortex cellulaire de la membrane plasmique des globules rouges humains (les hématies) ; dans cet exemple, la spectrine est la principale protéine du cortex.


La membrane plasmique est soutenue de l’intérieur par un réseau de protéines formant le cortex cellulaire (à gauche) lequel est constitué par la polymérisation de molécules de spectrine liées à la membrane par un complexe de quatre protéines : actine, adducine, band 4.1 et tropomyosine (à droite).

III. Glycocalyx :


Beaucoup des protéines exposées à la surface des cellules animales, comme c’est le cas aussi pour les lipides, présentent en général de courtes chaînes glucidiques (oligosaccharides) qui leur sont liées de manière covalente. Lorsque la protéine possède une ou plusieurs longues chaînes polysaccharidiques, elle est appelée protéoglycane (glycoprotéines). Seule une molécule de lipide sur dix connaît la glycosilation qui est représentée par le port d’une chaîne glucidique unique (glycolipides).

Les chaînes de glucides sont situés sur le côté extracellulaire de la membrane plasmique où elles forment un manteau glucidique appelé glycocalyx (cell coat) de 50 à 200 nm d’épaisseur. Il s’agit de petits glucides ramifiés comportant moins de 15 monomères. Le glycocalyx représente de 2 à 10% du poids des membranes cytoplasmiques.


Le cell coat permet de protéger et de lubrifier la surface cellulaire ; en adsorbant l’eau, il rend visqueuse la surface cellulaire puisqu’il constitue une couche de charge générale négative qui peut intervenir dans les mouvements de substances chargées à travers les membranes. En plus, les glucides de surface sont impliqués dans la reconnaissance (sucres distinctifs) et l’adhérence entre les cellules ainsi que l’adhérence des cellules à la matrice extracellulaire (exemple des molécules d’adhésion cellulaire, CAM, comme la fibronectine qui est une glycoprotéine exogène possédant des sites de liaison pour plusieurs autres protéines cellulaires et extracellulaires). Certaines chaînes glucidiques, enfin, servent à stabiliser les protéines dans la bicouche.



IV. Fonctions d’échanges des membranes :

La double couche lipidique des membranes cellulaires est très imperméable à la plupart des molécules hydrosolubles et à tous les ions. Le transport de nutriments, de métabolites et d’ions à travers la membrane plasmique et les membranes intracellulaires est donc assuré par des protéines de transport membranaires.

Les membranes cellulaires contiennent diverses protéines de transport, dont chacune est responsable du transfert d’un type particulier de soluté à travers la membrane. Il existe deux classes de protéines de transport : les protéines porteuses (perméases et pompes) qui se lient à un soluté pour le transporter spécifiquement de l’autre côté de la membrane en changeant de conformation, et les protéines canalaires qui forment un minuscule pore hydrophile (canal protéique) dans la membrane que les solutés traversent par diffusion sur la base de leur taille et de leur charge électrique (pas de liaison au soluté).

A. Diffusion de l’eau : osmose et aquaporines.

La diffusion de l’eau à travers une membrane sélectivement perméable représente un cas particulier de transport passif appelé osmose. Elle se produit chaque fois que deux solutions séparées par une membrane diffèrent par leur concentration totale de soluté, ou osmolarité. L’eau tend à diffuser à travers la membrane de la solution hypotonique vers la solution hypertonique. La force entraînant le mouvement de l’eau est équivalente à une différence de pression d’eau appelée pression osmotique.


Si la diffusion simple constitue un passage de l’eau à travers la membrane qui est lent, un passage rapide est possible grâce à des canaux protéiques responsables du passage de l’eau à travers la bicouche de phospholipides : les aquaporines (on en compte une dizaine chez l’Homme : AQP0, AQP1,….. AQP9). C’est un scientifique américain, Peter AGRE, Baltimore, lauréat du prix Nobel en médecine, 2003, qui a déterminé la structure tridimensionnelle du premier canal protéique.


Pour stabiliser un état d’équilibre osmotique, et éviter une entrée massive de l’eau, la cellule animale maintient basse sa concentration intracellulaire en solutés en pompant les ions vers l’extérieur. Cette fonction est principalement assumée par la pompe Na+-K+ laquelle met le Na+ hors de la cellule. Cette sortie d’un ion chargé positivement empêche en même temps l’entrée de Cl-, un ion chargé négativement, aidant à maintenir le potentiel de membrane.

Les cellules végétales sont empêchées de gonfler et d’éclater grâce à leurs parois pecto-cellulosiques résistantes. Chez certains protozoaires vivant en eau douce, comme les amibes, l’eau qui pénètre en permanence dans la cellule par osmose est collectée dans des vacuoles contractiles qui déversent périodiquement leur contenu à l’extérieur.


B. Transport des ions et potentiel de membrane :

1. Les concentrations ioniques intra- et extracellulaires :



Le Na+ est l’ion chargé positivement (cation) le plus abondant hors de la cellule, il est équilibré principalement par le Cl- extracellulaire. Le K+ est le plus abondant à l’intérieur de la cellule et il est équilibré par divers ions intracellulaires chargés négativement (anions), outre le Cl-, les cellules contiennent des ions inorganiques comme le bicarbonate (HCO3 -) et le phosphate (PO4 3-), des métabolites organiques, des protéines et des acides nucléiques portant des groupements phosphate et carboxyle (COO-).

2. Le potentiel de membrane :

Le potentiel de membrane est à la base de toute l’activité électrique dans les cellules. Il est déterminé par la distribution inégale des charges électriques des deux côtés de la membrane plasmique, et il est modifié quand des ions traversent des canaux ioniques ouverts.

Dans les cellules animales, le potentiel de membrane de repos varie entre -20 et -200 millivolts (mV) selon le type cellulaire. Il est exprimé par une valeur négative, l’intérieur de la cellule étant négatif par rapport à l’extérieur (la plupart des protéines et des autres macromolécules intracellulaires portent une charge négative). La valeur réelle du potentiel de membrane de repos est principalement le reflet du gradient de concentration de K+ à travers la membrane plasmique car, au repos, cette membrane est surtout perméable au K+ (existence de canaux potassiques ouverts) lequel est le principal ion positif à l’intérieur de la cellule. Toute ouverture d’autres canaux ioniques spécifiques entraîne une modification du potentiel de membrane.


Le potentiel de membrane influe sur le passage de toutes les substances chargées à travers la membrane, favorisant l’entrée des cations et la sortie des anions. En résumé, deux forces président au transport passif des ions à travers les membranes : le gradient de concentration des ions et l’effet du potentiel de membrane sur eux. Ainsi, un ion diffuse suivant son gradient électrochimique. Il s’agit d’un gradient qui combine l’influence de la force électrique (potentiel de membrane) et celle de la force chimique (gradient de concentration).

C. Transport de petites molécules :

A l’exception des molécules liposolubles et des petites molécules non chargées, qui peuvent traverser la double couche lipidique par diffusion simple, presque toutes les molécules organiques ont besoin de protéines porteuses. Ainsi, chaque membrane cellulaire contient un groupe de différentes protéines porteuses adaptées à ses fonctions : la membrane plasmique possède des transporteurs pour les glucides, les acides aminés et les nucléotides, par exemple ; la membrane interne des mitochondries contient des transporteurs pour le pyruvate, l’ADP et l’ATP.

Les protéines porteuses qui assurent le transport passif facilité (perméases) permettent, comme les canaux protéiques, le passage d'un soluté dans le sens de son gradient électrochimique, mais ce passage se fait plus rapidement. Pour cela, les molécules du soluté spécifique se lient à la perméase avant le transfert. Chaque perméase possède des sites de liaison spécifiques pour le soluté. Lorsque ces sites sont saturés, la vitesse du transport est maximale. Les perméases sont probablement des protéines transmembranaires qui subissent un changement de conformation réversible lors du transfert du soluté à travers la bicouche. Parmi les substances transportées par diffusion facilitée, on compte le glucose, les acides aminés, certains ions et le pyruvate.


Beaucoup de protéines de transport permettent le transfert de solutés spécifiques par un processus appelé transport passif, c'est-à-dire que la molécule traverse la membrane dans un sens qui est déterminé par son gradient électrochimique. D'autres protéines de transport fonctionnent comme des pompes, qui entraînent activement des solutés à contre-courant à travers la membrane (contre leur gradient électrochimique), par un processus appelé transport actif. Ce processus nécessite un apport d'énergie, fourni, le plus souvent, par hydrolyse d'ATP.


1. les canaux protéiques :

Le gradient électrochimique représente la force nette de mobilisation s’exerçant sur un ion, due à son gradient de concentration et au champ électrique. Dans le transport passif, un soluté non chargé se déplace spontanément dans le sens décroissant de son gradient de concentration, et un soluté chargé (un ion) se déplace spontanément dans le sens décroissant de son gradient électrochimique. Dans ce type de transport, les protéines porteuses ou canalaires fonctionnent sans dépense d’énergie.

La plupart des protéiques canalaires forment des canaux ioniques sélectifs (transport passif non facilité), qui permettent à des ions inorganiques de taille et de charge adaptées (Na+, K+, Cl- et Ca2+) de traverser la membrane dans le sens décroissant de leur gradient électrochimique avec une vitesse mille fois supérieure à celle du transport par des protéines porteuses. Il s’agit d’un transport non saturant, c'est-à-dire que la vitesse de passage est directement proportionnelle au gradient.


Alors que certains de ces canaux sont ouverts en permanence, d'autres ne s'ouvrent que de manière provisoire (souvent pendant des temps très brefs). L’ouverture des canaux résulte d’un changement de conformation des protéines transmembranaires, et elle peut être contrôlée par la tension membranaire (dépolarisation), la liaison à un ligand ou par une action mécanique.


3. Les pompes et le transport actif :

Dans le transport actif, un soluté non chargé ou un ion est transporté contre son gradient de concentration ou son gradient électrochimique, selon un processus nécessitant de l’énergie. Les protéines porteuses agissent comme des pompes pour transporter un soluté dans le sens décroissant de son gradient électrochimique, en utilisant l’énergie fournie par l’hydrolyse de l’ATP, par un flux descendant d’ions Na+ ou H+, ou par la lumière.

Les protéines porteuses qui assurent ce type de transport sont appelées transporteurs couplés. Le transporteur peut déplacer les deux solutés à travers la membrane soit dans la même direction (symport) soit dans des directions opposées (antiport). Une protéine de transport qui ne fait passer qu’un type de soluté à travers la membrane est appelé uniport.



La pompe Na+-K+ située dans la membrane plasmique des cellules animales est une ATPase qui transporte activement (contre le gradient de concentration) le Na+ hors de la cellule et le K+ vers l’intérieur de celle-ci ; les cellules végétales, les champignons (dont les levures) et les bactéries n’en possèdent pas dans leur membrane plasmique. Elle fonctionne de façon cyclique toutes les 10 millisecondes et ce sont une phosphorylation et une déphosphorylation de la propre pompe qui permettent les changements de conformation responsables de la sortie de Na+ et de l’entrée de K+.

La pompe Na+-K+ est en réalité une enzyme (ATPase) liée à la membrane. La fixation de sodium (3 ions) sur la face interne de la protéine déclenche une phosphorylation qui modifie la conformation de celle-ci, permettent le transfert de sodium vers l'extérieur. C'est alors que les ions potassium (2 ions) provenant de l'extérieur peuvent se fixer à leur tour sur la protéine, provoquant une déphosphorylation qui redonne à celle-ci sa conformation d'origine et permet le transport de potassium vers l'intérieur de la cellule. Pour son fonctionnement, la pompe sodium-potassium exige environ le tiers de la puissance énergétique totale de la cellule.



Par ailleurs, le fort gradient de Na+ à travers la membrane plasmique, généré par l’ATPase Na+-K+, peut être utilisé pour réaliser d’autres processus de transport actif. Ce type de transport couplé (symport glucose- Na+) est utilisé par les cellules épithéliales qui bordent l’intestin, par exemple, pour effectuer le transfert du glucose de l’intestin à travers la membrane apicale de l’épithélium intestinal : transport actif secondaire.



On distingue ainsi dans le transport contre le sens du gradient électrochimique : le transport actif primaire (pompe Na+-K+) et le transport actif secondaire (symport glucose-Na+, échangeur Na+-H+, etc.).




Les antiports activés par le Na+ sont aussi importants, et un exemple en est l’échangeur Na+-H+ de la membrane plasmique des cellules animales. Cet antiport utilise l’influx de Na+ pour pomper les H+ hors de la cellule et permettre ainsi le contrôle du pH cytosolique.

D. Transport des macromolécules : exocytose et endocytose (transport vésiculaire). Les protéines porteuses (perméases et pompes) et les canaux ne sont pas adaptés au transport des macromolécules de grande taille telles que les protéines. Ce type de transport se fait par l’intermédiaire de vésicules de transport qui bourgeonnent continuellement d’une membrane et fusionnent avec une autre, processus appelé transport vésiculaire. Ainsi, des molécules emmagasinées dans des vésicules de sécrétion sont libérées hors de la cellule par un processus appelé exocytose, et du liquide, des molécules et des particules extracellulaires sont ingérés par invagination de la membrane plasmique et formation de vésicules de transport grâce à un processus appelé endocytose. Ces deux modes de transport opposés créent une circulation vésiculaire à l’intérieur de la cellule. Les vésicules de transport véhiculent non seulement des protéines solubles entre les compartiments cellulaires, mais aussi de la membrane.



a. Bourgeonnement et arrimage vésiculaires :
Lors de l’exocytose et l’endocytose, les vésicules de transport bourgeonnantes ont un manteau de protéines distinctif sur leur surface cytosolique (vésicules recouvertes) ; l’assemblage du manteau entraîne le processus de bourgeonnement, et les protéines du manteau aident à incorporer dans la vésicule en formation les récepteurs et leur chargement de molécules liées spécifiquement.

Les vésicules les mieux étudiées ont un manteau essentiellement fait d’une protéine appelée clathrine. Elles débutent sous forme de puits recouverts de clathrine. Une petite protéine liant le GTP, appelée dynamine, s’assemble à d’autres en un anneau autour du col de chaque puits recouvert. Elle hydrolyse alors son GTP, et l’on pense que cela entraîne la constriction de l’anneau qui détache par pincement la vésicule de transport.



Pour faire du transport spécifique, une seconde classe de protéines de revêtement (adaptines) des vésicules recouvertes de clathrine qui intervient pour lier le manteau de clathrine à la membrane vésiculaire et aider à y piéger des récepteurs spécifiques. Peu après leur formation, les vésicules d'endocytose spécifique perdent rapidement leurs épines de clathrine, qui réintègrent aussitôt la membrane plasmique. Les vésicules lisses ainsi obtenues se regroupent pour donner naissance à de grandes vacuoles appelées endosomes, qui fusionnent elles-mêmes avec des lysosomes primaires. Entre temps, des pompes à protons présentes dans la membrane de ces vésicules abaissent progressivement leur pH. Cette acidification progressive permet au ligand de se détacher des récepteurs, qui peuvent alors être isolés dans des secteurs de membranes qui se vésiculisent et réintègrent ensuite la membrane plasmique.


Les vésicules recouvertes perdent leur manteau protéique peu après avoir été libérées de la membrane par pincement, ce qui leur permet d’être arrimées à, puis de fusionner avec, une membrane cible particulière ; on pense que l’arrimage est médié par une famille de marqueurs protéiques de la surface vésiculaire (v-SNARE) qui sont reconnus par des récepteurs de la membrane cible (t-SNARE, t pour target, cible). La fusion de la vésicule avec la membrane cible est catalysée par un complexe de fusion au site d’arrimage.


b. Exocytose :
Dans toutes les cellules eucaryotes, il y a un flot continu de vésicules qui bourgeonnent du réseau de Golgi et fusionnent avec la membrane plasmique. Cette voie d’exocytose constitutive fournit à la membrane plasmique des lipides et des protéines nouvellement fabriqués ; c’est la voie pour la croissance de la membrane plasmique quand la cellule grossit avant de se diviser. Elle transporte aussi des protéines à la surface de la cellule afin d’être sécrétées (protéines périphériques ou signal).

Dans les cellules spécialisées dans la sécrétion, une deuxième voie d’exocytose fonctionne, elle est dite voie d’exocytose contrôlée. Des vésicules de sécrétion ou des grains de sécrétion (selon que leur contenu est transparent ou non) stockant des protéines de sécrétion (hormones, mucus ou enzymes digestives) sont issues de l’appareil de Golgi. Elles fusionnent avec la membrane plasmique afin de libérer leur contenu à l’extérieur seulement quand la cellule est stimulée par un signal extracellulaire (hormones ou neurotransmetteurs qui se fixent sur des récepteurs spécialisés de la surface cellulaire). Au moment de l'exocytose, on assiste d'abord à l'accolement des deux membranes (celle de la vésicule et de la membrane plasmique), phase transitoire très brève qui précède la fusion et la réorganisation des deux bicouches, ce processus aboutit finalement à l'ouverture de la vésicule sur l'extérieur. Le produit de sécrétion est alors libéré hors de la cellule et la membrane du grain de sécrétion est incorporée à la membrane cellulaire.


c. Endocytose :
Deux principaux types d’endocytose sont distingués en fonction de la taille des vésicules d’endocytose formées. La pinocytose implique l’ingestion de liquide et de molécules par l’intermédiaire de petites vésicules (< 150 nm de diamètre). La phagocytose implique l’ingestion de grosses particules, telles que des microorganismes (bactéries) et des débris cellulaires (hématies vieillies), par l’intermédiaire de volumineuses vésicules appelées phagosomes (généralement > 250 nm de diamètre). Ce deuxième type d’endocytose est réalisé principalement par des cellules phagocytaires spécialisées (macrophages, par exemple).

L’endocytose par l’intermédiaire de récepteurs représente un mécanisme de concentration sélectif qui permet à la cellule de capter en grande quantité des constituants mineurs du liquide extracellulaire. Un exemple important en est celui utilisé par les cellules animales pour capter le cholestérol dont elles ont besoin pour la synthèse de leur membrane.

Une grande partie du matériel incorporé par endocytose est délivrée aux endosomes, puis aux lysosomes où il est dégradé par des enzymes hydrolytiques ; cependant, la plus grande partie des constituants de la membrane de la vésicule d’endocytose est recyclée dans des vésicules de transport, et retourne à la membrane plasmique pour y être réutilisée.

Copyright: Pr. Ouarour 

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