Transport membranaire PDF - Cours de biologie et physiologie cellulaire

Transport membranaire : 1 Membrane plasmique et espaces liquidiens Les 4 grands systèmes végétatifs  ================================= [Déf] : Un **système végétatif** est un système dont le fonctionnement est autonome qui permet d'activer automatiquement des mécanismes nécessaires à notre survie...

Transport membranaire : 1 Membrane plasmique et espaces liquidiens Les 4 grands systèmes végétatifs  ================================= [Déf] : Un **système végétatif** est un système dont le fonctionnement est autonome qui permet d'activer automatiquement des mécanismes nécessaires à notre survie. - Travail sans contrôle On en distingue 4 : - **Respiration** (7,5 l/min) **: gaz** - **Nutrition** (eau : 2,5 l/j et aliments 500g/j) : **nourriture** - **Excrétion** (1,5 l/j) : urine -\> homéostasie - **Circulation** (5 l/min) : **sang** Au sein de chaque système, il y a **des transports (flux)** de gaz, de liquides, d'ions et de petites molécules. On a un **flux par convection**(les mouvements de convection sont l\'ensemble des mouvements internes (horizontaux ou verticaux) générés dans une masse fluide (liquide ou gaz)) qui est assuré par la pompe cardiaque. Elle propulse le sang pour assurer le flux et la bonne perfusion (bonne distribution des nutriments) des organes périphériques. Les trois premiers systèmes servent **à amener/éliminer** des composants et le 4^ème^ (système cardiovasculaire) s'occupe de la **distribution** des molécules au sein de l'organisme. Ces quatre systèmes permettent d'assurer l'apport nutritif aux cellules et l'élimination des déchets qu'elles produisent. Les espaces liquidiens  ======================= Le flux du sang dans le compartiment vasculaire (les veines,...) est assuré par la pompe cardiaque. C'est au niveau des capillaires (vaisseaux sanguins les plus petits interagissant avec les tissus) que les échanges entre gaz et cellules ont lieu. **-\> pas énergisé** Le système a été fabriqué de sorte que peu de cellules se trouvent loin d'un capillaire. Par conséquent, le **fluide extracellulaire (liquide intersticiel**) est en équilibre de composition ionique quasi instantané avec le fluide **des compartiments vasculaires (plasma**). On remarque que tous les échanges se font entre 2 milieux liquides. Milieu intérieur -\> ou les cellules baignent -\> doit être liquide car l'eau est indispensable aux réactions chimiques ainsi qu'à la manifestation des propriétés de la nature vivante. Distribution de l'eau ===================== Nos cellules ne peuvent pas vivre sans eau. Notre corps est fait à **60%** **d'eau** (donc c'est 60% (2/3) de notre poids) qui se distribue dans différents compartiments de notre organisme : - Compartiment intracellulaire : **40%** (2/3 de l'eau totale) - Compartiment extracellulaire : **20%** (liquide interstitiel et plasma) - **2 barrières** entre compartiment intracellulaire et extracellulaire : - La **membrane plasmique** (entre liquide intracellulaire et liquide intersticiel) - **Paroi capillaire** (entre liquide intersticiel et plasma) Les liquides corporels ====================== Chaque compartiment a une **composition** **en ions et en protéines** qui lui est **propre **: [**Extracellulaire **: ] **Riche en Na+, pauvre en K+.** Le plasma est riche en protéine contrairement au liquide interstitiel. Leur concentration et composition ionique sont identiques car la paroi capillaire est poreuse donc **semi-perméable**. Facilite les transports Les protéines sont retenus dans le plasma -\> **couleur jaune** [**Intracellulaire **:] Pauvre en Na+, riche en K+ Les cellules sont riches en protéines. Diff composition extra/intracellulaire - La concentration entre les compartiments intracellulaires et extracellulaires est asymétrique car la **membrane plasmique est imperméable**. - Il y a plus de protéines dans les cellules car ce sont elles qui les **produisent** (ribosomes). La concentration des ions à l'intérieur/extérieur de la cellule : Liquides corporels (mM) Liquide extracellulaire Liquide intracellulaire Gradients ioniques ------------------------- ------------------------- ------------------------- -------------------- Na+ **145** **12** **X 10** K+ **4** **120** **X 30** Ca^2+^ **1,2 (*ionisé*)** **0,0001 (*ionisé*)** **1/10'000** *NB :* *- Ces ions sont dissous dans l'eau corporelle et se trouvent sous forme de cation ou anion.* *- Tous les liquides biologiques contiennent autant de cations que d'anion* Membrane cellulaire  ==================== Rôles ----- - Séparation de l'intérieur de la cellule de l'extérieur - Assurer les échanges/transports (nutriments et déchets) - Permet de générer une asymétrie entre les concentrations Des membranes sont aussi présentes à l'intérieur de la cellule, **pour entourer les organelles et les différentes structures**. -\> les organites Pas les memes concentration grâce aux membranes Composant principal ----------------------------------------- La membrane plasmique est composée de **phospholipides amphiphiles** (tête hydrophile + 2 chaînes d'acides gras hydrophobes). En solution, ils forment spontanément une **bicouche lipidique**. Tête hydrophile -\> **choline, sérine, inositol** Les phospholipides ne sont pas les seuls composants la membrane, il y a notamment de nombreuses protéines servant de **pores de transport**. Ces bicouches sont très étanches et donc très peu perméables. Perméabilité des bicouches lipidiques ------------------------------------- Elle constitue une barrière presque infranchissable et très étanche : **seuls les gaz peuvent diffuser à travers sans problème.** - Les **petites molécules polaires non-chargées** peuvent diffuser à travers mais cela prend beaucoup de temps. On peut tout de même considérer que c'est un transport spontané car elles ne nécessitent pas de transporteur. - **L'eau pourrait également la traverser cependant cela prend bien trop de temps. On considèrera donc que la membrane n'est pas perméable aux molécules d'eau.** - Les **ions** **chargés** sont **repoussés** par les têtes polaires des phospholipides. Plus la taille de la molécule est **grande**, plus le temps de diffusion est long. Si une **charge est portée**, la barrière devient complètement infranchissable sans l'aide de transporteurs spécifiques. **Problème ? Solution -\> les protéines membranaires** Protéines de transport  ======================= Pour permettre un transport transmembranaire, des **protéines membranaires** s'insèrent de manières différentes dans la membrane. **Les protéines de transport intégrales** assurent les échanges et permettent **un gain en vitesse considérable** (de plusieurs milliards de fois) **Les vitesses varient selon le type de transport.** La membrane plasmique est donc **une barrière sélective** étant donné que chaque protéine de transport est spécifique à une ou plusieurs molécules, ions, etc. Il y a une dialectique entre le transport et l'étanchéité au sein de la membrane. - **Bruns** : H~2~O et les ions -\> rapides nanosecondes ou microsecondes - **Violets** : petites et grandes molécules polaires non chargées ainsi que les molécules polaires chargées -\> millisecondes et secondes **3 types de protéines de transport ** -------------------------------------- 1. Les canaux  ----------- - Transport **d'eau** (**aquaporine**) ou d'**ions** (**canal ionique**) - Souvent le canal est **sélectif** pour la substance à transporter - **Transport passif** : ne nécessite **pas d'énergie** car il est dû au **gradient électrochimique** #### *2 types de canaux* - **[Canaux à eau]** (aquaporine) : rétrécissement avec un coude, les molécules d'eau doivent passer en file indienne **(1 à la fois)** - Densité et mobilité permettent le transport - **[Canaux ioniques]** : filtre de sélectivité basé sur la **perte de la couche d'hydratation** de l'ion (**ne fait pas passer l'eau**) Les pompes  ----------- - **Transport actif** : énergie de l'ATP -\> **Consomme de l'ATP** - Avec ce système qui consomme de l'énergie, on peut faire bouger des molécules dans n'importe quel sens et ce indépendamment du gradient électrochimique. - On peut donc transporter des composés **contre un gradient**. Les transporteurs  ------------------ - **Transport bidirectionnel** (un composant rentre tandis qu'un autre sort) - Une molécule bouge seule car elle a assez d'énergie contenue dans le gradient électrochimique et cela permettra de faire bouger une autre molécule dans un sens a priori non favorable. - En couplant 2 flux, on peut faire bouger **une molécule contre un gradient électrochimique** - **Pas d'ATP** #### 3 types de transporteurs  - **Uniport **: protéine qui transporte une seule espèce chimique à la fois. C'est un transport passif. - **Symport **: protéine qui transporte simultanément deux espèces chimiques ou plus dans le **même sens** en utilisant le flux d'un ion (cotransport) - **Antiport **: protéine qui transporte successivement (« dans un sens, puis dans l'autre ») deux espèces chimiques ou plus **dans deux sens opposés**. Mode de transport (passif, actif ou secondairement actif) --------------------------------------------------------- Le [transport passif] se fait toujours **dans le sens du gradient.** Le [transport actif] se fait **contre le gradient** électrochimique en consommant de l'énergie libérée par l'ATP Le [transport secondairement actif] n'utilise pas l'énergie ATP mais l'énergie d'un ion pouvant passer par lui-même entrainant avec lui un autre ion incapable de traverser seul. Il l'entraine soit dans le même sens, soit dans le sens opposé. - **Secondairement actif car besoin de l'autre** Vitesse de transport  --------------------- **Les pompes sont plus lentes** car elles ont besoin d'utiliser l'énergie de l'ATP. Les transporteurs sont également lents. Les canaux sont beaucoup plus rapides et donc plus efficaces. 1 molécule en 10 nanosec donc 10\^9 molécules en 1 sec **Transporteurs et pompes : 10^2-4^** Les « forces » du transport  ============================   = - Gradient de température - Gradient de pression (fait bouger le sang) - **Gradient chimique : différence de concentrations** - **Gradient électrique : différence de charges des 2 côtés de la membrane** **Les forces permettent aux molécules de bouger.** La diffusion  =================================== **[Mécanisme] : Les molécules vont spontanément remplir tout le volume en partant des régions les plus concentrées pour aller vers les régions moins concentrées.** L'énergie (variable avec la température) est contenue dans le mouvement des molécules. Dans notre corps, les **molécules d'eau** ont une énergie cinétique due à leur agitation thermique (vitesse d'une molécule eau : 2500Km/s, à 37°). On a énormément de molécules d'eau dans notre corps (55 mol/l). Étant donné la densité de l'eau, les molécules passent leur temps à se cogner donc ne bougent pas très loin. Si la molécule est plus grosse (glucose), elle va moins vite que l'eau Equation de la diffusion (le temps de diffusion) ------------------------------------------------ La diffusion est rapide et efficace à courte distance et lente à grande distance (cm). C'est pourquoi **notre corps**, pour alimenter nos organes utilise la convection avec la pompe cardiaque n'attend pas que la force de diffusion fasse le travail  X petitcourt temps D grandcourt temps Le coefficient de diffusion est proportionnel à la distance - **Pas efficace sur les longues distances** [Le coefficient de diffusion D dépend de] : - **L'énergie thermique** (proportionnel au coefficient D) : la température est ce qui donne de l'énergie (thermique) à ces molécules : **plus T est élevé, plus D est élevé** et plus le temps de diffusion sera court. A 0° K, il ne se passe plus rien. - **La taille de la molécule **(inversement proportionnel au coefficient D) : plus une molécule est petite (rayon), plus elle bougera vite. - **La viscosité du milieu **(inversement proportionnel au coefficient D) : dépend des propriétés chimiques des molécules. Principe de la diffusion  ------------------------- [Rappel] : Une molécule bouge du côté où elle est le plus concentrée à là où elle l'est le moins. [Ex] : [ ] Au temps A : Les molécules ont leur énergie thermique vibratoire qui leur permet de parcourir une distance. Elles vont à droite par diffusionqu'un seul flux Au temps B : Il y a 2 flux opposés. L'amplitude de ce flux inverse dépend de la concentration de la molécule dans le 2^e^ compartiment. Au temps C : **L'équilibre** (flux ~g-\>d~ = flux ~d-\>g~)  La concentration est la même de chaque côté mais les deux flux continuent Le **gradient de concentration est nul** (il y a la même concentration à droite et à gauche) **Toujours deux flux mais sont égaux** Les molécules se sont distribuées dans tout le volume : il n'y a plus de gradient de concentration, mais l'équilibre est toujours dynamique. **Le flux net est nul** (même flux a droite et a gauche) Loi de Fick (flux de diffusion par seconde)à travers une membrane ----------------------------------------------------------------- **Le flux de diffusion par seconde** (combien de molécule passe la membrane/sec) est donné par la loi de Fick : **X** : la distance à franchir est en général [constante] car la membrane lipidique fait 5nm -\> épaisseur de la membrane **D** : Coefficient de diffusion (même D qu'avant)taille molécule. Température, viscosités -\> capacité à passer la membrane **A** : plus la surface de la membrane est grande, plus la surface de diffusion pourra être grande et plus le flux sera grand **C** : plus le gradient de concentration est grand, plus le flux sera grand ex : compartiment gauche et droite d'avant La membrane a un système de transport et la **probabilité qu'une molécule passe de l'extérieur à l'intérieur est plus grande que le cas inverse.** Ça ne veut pas dire qu'une molécule ne passera pas de droite à gauche mais la probabilité est plus faible. Cela s'explique par **l'agitation thermique**. En effet chaque type de molécule a une énergie qui lui est propre à une vitesse donnée. De ce fait, toutes les molécules ont la même probabilité de passer à travers la membrane. Là où la concentration est la plus élevée, les molécules vont pousser le flux net vers le milieu le moins concentré. Comme il y a plus de molécules à gauche, la probabilité qu'une molécule aille de gauche à droite est plus grande que l'inverse. Cependant, des **transporteurs peuvent être sélectifs**, favoriser un sens et freiner l'autre. Diffusion à travers une membrane (tjr loi de Fick mais avec membrane) --------------------------------------------------------------------- **L'équation de Fick peut être appliquée à une membrane pour calculer son coefficient de perméabilité :** La seule force qui nous intéresse est le gradient de concentration (différence des concentrations) Le P est maintenant une vitesse. **Si on exprime le flux par unité de surface (A = 1 cm2), le flux de diffusion d'une substance à travers une membrane dépend essentiellement du coefficient de perméabilité P et du gradient de concentration.** Potentiel chimique (énergie du gradient chimique) ================================================= L'énergie contenue dans le gradient chimique (le fait qu'il y ait plus de molécules d'un côté que de l'autre), dû à la **différence de concentration**, peut être calculée. Le gradient chimique donne l'énergie qui permet le flux. L'énergie est proportionnelle à T qui est en général de 37°. - Gradient **chimique** - **Constante des gaz** - Concentration **interne et externe** Que se passe t il **si la molécule est chargée ?**\ -\> la force qui met en mouvement (driving force) la molécule est le potentiel électro chimique et non plus uniquement le gradient de concentration. Electro-diffusion (quand les molécules sont chargées) ===================================================== Nos molécules dans le liquide physiologique sont essentiellement des ions (sodium NA+, potassium K+). **Il y a des ions chargés positivement ou négativement.** Ces molécules sont sensibles à leur **gradient de concentration** mais vont **aussi** être sensibles aux **forces électriques** (champ électrique). Donc la force qui les met en mouvement est le **potentiel électrochimique** et non plus seulement le gradient de concentration. **La membrane cellulaire est un isolant, elle peut donc accumuler des charges (capacitance).** De ce fait, un potentiel électrique transmembranaire est généré par le transport d'une quantité minime de charges à travers les canaux ioniques (conductance). - Impose le voltage Dans ce cas, les molécules vont bouger en direction de leur gradient de concentration mais vont aller plus loin que ce que le gradient prédirait puisqu'elles vont aussi bouger en fonction du gradient électrochimique. Le mouvement de la molécule à travers la membrane va aussi être induit par une différence de voltage. Si molécules sont chargées négatif alors attirées à l'intérieur car positif Potentiel de membrane (potentiel électrique) ================================================================== Diff des charges électriques positives et négatives entre feuillet interne et externe Le potentiel de la membrane est mesurable. **Le potentiel électrique transmembranaire est la différence des charges électriques positives (Q) entre le feuillet interne et le feuillet externe de la membrane.** **L'intérieur de la cellule** est **chargée négativement**. Son potentiel est donc négatif. **[A savoir ]**: Un potentiel électrique transmembranaire est généré **par un transport de très petite quantité de charges** à travers les canaux ioniques Pas besoin de dissiper le gradient ionique pour générer un potentiel (les concentrations de ions ne sont pas altérées significativement). **Le liquide n'est pas chargé (on n'emmène pas une charge à travers la membrane), c'est la membrane qui l'est.** **Une membrane = isolante et accumule des charges (capacitance). Un potentiel électrique transmembranaire est généré par le transport d'une quantité minime de charges à travers les canaux ioniques (conductance). Les concentrations d'ions ne sont pas altérées significativement. Les liquides ne sont pas chargés.** **Conductance = facilité avec lequel un matériel permet le passage de courant élec** Potentiel d'équilibre (combination des deux principespotentiel chimique(gradient) et potentiel électrique (forces électriques)) =============================================================================================================================== Le cas d'une cellule : si on met un canal potassique dans la membrane, le potassium va avoir tendance à sortir à cause du gradient de concentration. En sortant, il y a **création d'un gradient électrique** (l'intérieur devient négatif). Attirance maintenant du potassium vers l'intérieur car les deux forces s'opposent. À l'équilibre : le potentiel de la membrane est tel que les 2 forces sont égales mais de sens opposés. De ce fait, il y a autant de K qui sortent et entrent *Valence : combien de charge sur l'ion* **La différence de potentiel électrique s'oppose à la diffusion due à la différence de concentration.** **Au potentiel d'équilibre électrochimique, la force générée par le potentiel électrique transmembranaire est égale à la force générée par la différence de concentration.** **Le potentiel électrique trans membranaire est la différence des charges électriques positives (Q) entre le feuillet interne et le feuillet externe de la membrane.** Potentiel électrochimique (équation de Nernst) ============================================== Le gradient électrochimique d'une molécule chargée est la somme de son potentiel chimique (déterminé par le gradient de concentration) et de son potentiel électrique (déterminé par la différence de voltage transmembranaire) Cette équation représente **la somme des forces exercées sur la molécule.** **À l'équilibre, l'énergie chimique contre-balance l'énergie électrique.** Les forces sont égales mais de sens opposé, donc la somme des forces exercées sur la molécule est nulle. *NB : cette équation est à savoir (équation de Nernst)*  la formule pour calculer le potentiel d'équilibre (E) d'un ion Valeurs de potentiels d'équilibres (E(i) ) ------------------------------------------ [Potentiel d'Équilibre] : Voltage auquel le flux net est nul **Quand un cation** a une **concentration plus élevée à l'extérieure** de la cellule qu'à l'intérieur**, le potentiel d'équilibre est positif.** C'est l**'inverse** dans le cas d'un **anion.** En résumé =============================== **Pingo !!!**