Biologie Cellulaire Introduction

Introduction

• Les cellules baignent dans un liquide extracellulaire contenant des ions tels que le sodium (Na+), potassium (K+), magnésium (Mg++), chlore (Cl-), phosphate (PO43-), bicarbonate (HCO3-), du glucose et une petite quantité de protéines.
• Le liquide intracellulaire est caractérisé par une concentration faible en calcium (Ca++), sodium (Na+) et chlore (Cl-), tandis que les concentrations en potassium (K+) et les protéines libres sont plus élevées à l'intérieur de la cellule.
• Le transport membranaire est le mouvement de molécules ou d'ions à travers la membrane plasmique.
• Il sépare le milieu extracellulaire du milieu intracellulaire, permettant à la cellule de maintenir son environnement interne stable.

Structure de la membrane cellulaire

• La membrane cellulaire, selon le modèle de la mosaïque fluide de Singer et Nicholson, est composée d'une bicouche lipidique, de protéines et de glucides.
• Les lipides sont de trois types :
  • Les phospholipides, les plus importants, sont amphiphile (composés d'un pôle hydrophobe et d'un pôle hydrophile).
  • Les glycolipides, situés uniquement sur la face externe de la membrane, sont des acides gras liés à des glucides. Ils participent aux interactions cellulaires.
  • Le cholestérol, qui régule la fluidité membranaire.
• Les protéines peuvent être périphériques ou intégrales.
  • Les protéines périphériques peuvent être intracellulaires (enzymes) ou à la surface externe de la membrane plasmique.
  • Les protéines intégrales ou transmembranaires traversent la membrane en entier et jouent un rôle crucial dans le transport.
• Les protéines transmembranaires peuvent être des pompes, des canaux ioniques ou des transporteurs avec des sites spécifiques de liaison.

Transport membranaire

• Le mouvement des substances à travers la membrane plasmique se produit de deux manières : passivement (transport passif) ou activement (transport actif).

Transport passif

• Le transport passif est le mouvement de substances sans dépense d'énergie (ATP).
• Les mécanismes de transport passifs sont la diffusion, l'osmose et la filtration.

Diffusion

• La diffusion est le transport de substances selon le gradient de concentration.
• Elle se produit d'une région de concentration élevée vers une région de faible concentration.
• Il existe deux types de diffusion :
  • La diffusion simple : se produit par agitation thermique des molécules (mouvements aléatoires).
  • La diffusion facilitée : se produit à l'aide de protéines de transport spécifiques situées dans la membrane.

La diffusion simple

• La diffusion simple se fait de deux manières :
  • À travers la bicouche lipidique : concerne les substances liposolubles comme l'eau (H2O), l'oxygène (O2), le dioxyde de carbone(CO2), l'azote (N2), les stéroïdes, les vitamines liposolubles, l'urée, le glycérol, les alcools simples et l'ammoniaque.
  • Via les canaux ioniques : concerne les substances non liposolubles comme le sodium (Na+), le potassium (K+), le calcium (Ca2+), le chlore (Cl-) et le bicarbonate (HCO3-).

Caractéristiques de la diffusion simple

• Se produit selon le gradient de concentration.
• Ne nécessite pas d'énergie métabolique.
• Ne nécessite pas de protéines de transport.

La diffusion facilitée

• La diffusion facilitée transporte une substance à l'aide de protéines porteuses spécifiques.
• Chaque type de protéine a des sites de liaison spécifiques pour une substance particulière.
• Concerne les substances non liposolubles (hydrosolubles) et les grosses substances qui ne peuvent pas diffuser à travers les canaux ioniques, comme le glucose et la plupart des acides aminés.

Caractéristiques de la diffusion facilitée

• Se produit selon le gradient de concentration.
• Ne nécessite pas d'énergie métabolique.
• Se fait à l'aide de protéines de transport.
• Est soumise à:
  • La stéréospécificité : relation d’affinité et de conformation spatial entre la protéine porteuse et la substance.
  • La saturation : dépend du nombre de protéines porteuses disponibles.
  • La compétition : les substances de structures similaires se disputent les mêmes protéines porteuses.

Facteurs affectant le taux de diffusion

• L'épaisseur de la membrane : la diffusion est inversement proportionnelle à l'épaisseur de la membrane.
• La solubilité lipidique : la diffusion est directement proportionnelle à la liposolubilité de la substance.
• La température : le taux de diffusion augmente avec la température.
• La taille des molécules : le taux de diffusion simple est inversement proportionnel à la taille des molécules.
• La surface de la membrane : la diffusion nette de la substance est directement proportionnelle à la superficie totale de la membrane.
• Les gradients de concentration et électrique (gradient électrochimique) : la simple diffusion est directement proportionnelle au gradient électrochimique.

L'osmose

• L'osmose est la diffusion de l'eau, soit directement à travers la membrane plasmique, soit par l'intermédiaire de protéines intégrales (aquaporines).
• Elle se produit d'une solution de faible concentration vers une solution de forte concentration.
• La pression osmotique : une solution contenant des particules de soluté qui ne peuvent pas traverser une membrane exert une pression appelée pression osmotique.
• Exemple : Une solution de NaCl à 0,9% est isotonique pour les globules rouges.

La filtration

• La filtration permet le passage de l'eau et des solutés à travers une membrane sous l'effet de la pression hydrostatique.
• Elle se produit d'une région à pression élevée vers une région à pression moins élevée.
• Exemple : Les reins filtrent les liquides pour produire l'urine.

Transport actif

• Les phénomènes actifs sont les processus de transport qui nécessitent une dépense d'énergie libérée par la dégradation de l'adénosine triphosphate (ATP).
• Concerne les substances trop grosses ou dont la charge les empêche de passer à travers la membrane, ou celles qui doivent aller à contre-courant du gradient de concentration.

Transport actif primaire

• L'énergie tirée de l'ATP déplace directement une substance à travers la membrane.
• La cellule utilise cette énergie pour déclencher des changements de forme des protéines transporteuses (pompes) dans la membrane plasmique.

Caractéristiques du transport actif primaire

• Se fait contre un gradient de concentration.
• Requiert un apport d'énergie métabolique direct sous la forme de l'ATP.
• Se fait à l'aide de protéines de transport.
• Est soumis à la stéréospécificité, la saturation et la compétition.

Exemples de transport actif primaire

• La pompe Na+-K+ ATPase des membranes cellulaires transporte le Na du liquide intracellulaire vers le liquide extracellulaire et le K du liquide extracellulaire vers le liquide intracellulaire.
• La Ca+2 ATPase (pompe à Ca+2) du réticulum sarcoplasmique ou des membranes cellulaires transporte le Ca+2 contre un gradient électrochimique.
• La K+-H+ ATPase (pompe à protons) des cellules pariétales de l'estomac transporte l'H+ vers la lumière de l'estomac contre son gradient électrochimique.

Transport actif secondaire

• Assuré par des protéines qui transportent deux molécules ou plus ; les cotransporteurs.
• Une molécule est transportée dans le sens du gradient (généralement du Na), l'autre molécule est transportée contre son gradient.
• La première molécule fournit de l'énergie pour la deuxième molécule qui passe contre son gradient.

Deux types de cotransporteurs :

• Les symports : transportent les deux molécules dans le même sens.
• Les antiports : transportent les deux molécules dans un sens opposé.

Transport vésiculaire

• Concerne les grosses particules et les macromolécules.
• Ce mécanisme de transport est activé par l'ATP.

Deux principaux modes de transport vésiculaire:

• L'exocytose : passage de substances de l'intérieur vers l'extérieur de la cellule.
  • Exemples : la sécrétion d'hormones, la libération de neurotransmetteurs, la sécrétion de mucus et l'élimination des déchets.
  • Mécanisme : la substance est enfermée dans un sac membranaire appelé vésicule. La vésicule migre en direction de la membrane plasmique, fusionne avec elle et déverse son contenu à l'extérieur de la cellule.
• L'endocytose : passage des grosses particules et des macromolécules de l'extérieur vers l'intérieur de la cellule.

  • Mécanisme : La substance est entourée par une invagination de la membrane plasmique. La vésicule se détache de la membrane plasmique et entre dans le cytoplasme, où son contenu est digéré.

    Trois formes d'endocytose:

  • La phagocytose : concerne les macromolécules relativement grosses et solides, comme les amas de bactéries, les débris cellulaires, les polluants ou les allergènes.

  • La pinocytose : concerne les gouttelettes de liquide extracellulaire, contenant des molécules dissoutes. Assure l'absorption des nutriments comme celles qui tapissent les intestins.

  • L'endocytose par récepteurs interposés : transport sélectif qui nécessite des récepteurs qui se lient à certaines substances. Les récepteurs et les substances qu'ils transportent entrent ensemble dans la cellule à l'intérieur d'une petite vésicule.

Conclusion

• Les mécanismes de transport membranaire contribuent au maintien de la composition du milieu intracellulaire nécessaire au bon déroulement des réactions biochimiques intracellulaires.