Chapitre II : Les Membranes Cellulaires et les Transports PDF

II-1 CHAPITRE II. LES MEMBRANES CELLULAIRES ET LES TRANSPORTS DE SUBSTANCES ENTRE LES COMPARTIMENTS. Une cellule vivante est entourée par une membrane, la membrane cellulaire (ou plasmique), de nature souple, isolant la cellule de son environnement. D’autres membranes de natu...

II-1 CHAPITRE II. LES MEMBRANES CELLULAIRES ET LES TRANSPORTS DE SUBSTANCES ENTRE LES COMPARTIMENTS. Une cellule vivante est entourée par une membrane, la membrane cellulaire (ou plasmique), de nature souple, isolant la cellule de son environnement. D’autres membranes de nature similaire séparent également le cytoplasme et les organites cellulaires (comme le noyau, la mitochondrie, le réticulum endoplasmique et le complexe de Golgi, ou les lysosomes (cf. cours de biologie)), dont elles isolent le contenu. Nombreux phénomènes physiologiques dépendent des membranes et sont indispensables à un fonctionnement harmonieux de l’organisme. Avant d’envisager ces phénomènes, décrivons les rôles généraux et la structure des membranes. II.1. FONCTIONS GENERALES DES MEMBRANES Si la membrane délimite la cellule, elle n’est cependant pas qu’une simple structure passive. Par exemple, elle contrôle et régule le trafic de nombreuses qui doivent entrer et sortir de la cellule. Les membranes ont ainsi des activités multiples et des fonctions essentielles à la vie des cellules et des individus.  Les membranes fournissent un soutien structurel. Des protéines intracellulaires forment un cytosquelette et sont liées à la membrane cellulaire pour maintenir la forme de la cellule. Par ailleurs, des connections particulières entre les membranes cellulaires et les fibres présentes dans la substance extracellulaire stabilisent les assemblages des cellules au sein des tissus.  Les membranes assurent une compartimentation et une isolation. Les membranes sont des feuillets continus, ininterrompus, qui délimitent le contenu de l'ensemble de la cellule (membrane plasmique) ou des différents compartiments intracellulaires, (membranes nucléaire et intracellulaires). La membrane cellulaire joue ainsi le rôle d’une barrière physique qui sépare la cellule (le cytosol ou le liquide intracellulaire) des liquides environnants, tandis que les membranes des organites permettent la constitution de microenvironnements propices au développement d’activités particulières au sein des organites. Elles empêchent en outre un mélange incontrôlé du contenu des différents espaces, ce qui serait désastreux. Par exemple, une fuite d'enzymes contenus dans tous les lysosomes à la fois, peut détruire une cellule; l’existence d’une membrane autour des lysosomes préserve ainsi la cellule contre des dommages potentiels.  Les membranes sont des barrières à perméabilité sélective. Le libre échange de matériaux de part et d'autre d’une membrane n’est pas permis. Néanmoins, la cellule doit se fournir en nutriments (sucres, acides aminés, …) et autres substances (ions) pour assurer son métabolisme, et éliminer certains produits. La membrane cellulaire est ainsi une barrière sélectivement perméable qui autorise l’entrée de certaines substances dans le cytoplasme à partir du milieu externe et en refoule d’autres, en prévenant les mouvements aveugles de substances. Elle contient en effet des systèmes de transport de substances dont nous parlerons plus loin. Une des conséquences des phénomènes de transport d’ions est, notamment, l’existence d’une différence de charges électriques de part et d’autre de la membrane cellulaire.  Les membranes sont le site de communication entre la cellule et son environnement. Via leur membrane plasmique, les cellules de l’organisme se reconnaissent, échangent des matériaux et des informations. La membrane cellulaire est la zone cellulaire concernée en premier lieu par des modifications dans le liquide extracellulaire. Des récepteurs sont enchâssés dans les membranes et permettent aux cellules de reconnaître certaines molécules spécifiques présentes dans leur environnement  II-2 et d’y répondre. Certaines hormones, notamment, se fixent sur la membrane cellulaire pour enclencher des modifications cellulaires.  Les membranes sont le site d'activités biochimiques. Les membranes mettent à la disposition de la cellule une charpente où les molécules interagissent de façon efficace. D’importantes machineries enzymatiques cellulaires sont associées aux différentes membranes (respiration cellulaire sur la membrane mitochondriale interne, par exemple). Examinons maintenant la structure générale d’une membrane, car cette structure influence leurs propriétés. II.2. STRUCTURE DES MEMBRANES CELLULAIRES Toutes les membranes ont une structure et des composants similaires avec une épaisseur uniforme de l’ordre de 8 nm. En microscopie électronique, elles se présentent avec un aspect en « rail de chemin de fer » (Figure II.1), avec pour la membrane cellulaire, un versant extracellulaire et un versant intracellulaire. Extérieur Figure II.1. Aspect des membranes en microscopie électronique. Les Intérieur membranes plasmique et intracellulaires (ici celle du Cellule réticulum) présentent une structure triassisiale, formée de 2 couches foncées séparées par une couche claire. L’isolement des membranes et leur décomposition a constitué une première étape dans leur connaissance. Par diverses techniques, on a montré que toutes les membranes (cellulaire ou intracellulaires) sont formées d’un assemblage de lipides et de protéines, avec un faible pourcentage d’hydrates de carbone. Selon la provenance de la membrane, le rapport entre la teneur en protéine et celle en lipide varie (Tableau II.I). Généralement, plus une membrane est active métaboliquement, plus elle contient des protéines. Par exemple, dans la membrane mitochondriale interne, qui contient les enzymes de la respiration cellulaire, les protéines représentent ¾ du poids de la membrane. Tableau II.I Composition de quelques membranes Membranes Protéines Lipides Glucides 49 % 43 % 8% Globule rouge Myéline autour des nerfs 18 % 79 % 3% Membrane mitochondriale 76 % 24 % 0% interne  Les membranes cellulaires forment une mosaïque fluide.  II-3 Diverses études de congélation des membranes suivie de leur fracture ont permis d’aboutir au concept de la mosaïque fluide comme le schématise la Figure II.2. Les lipides de la membrane forment une double couche, ou bicouche, lipidique, qui explique l’aspect en microscopie. Des protéines variées sont disséminées dans cette bicouche où elles s’insèrent pour y flotter et pour la traverser partiellement ou complètement, d’où le terme de “mosaïque”. Les hydrates de carbone sont localisés sur la surface extracellulaire et forment un enduit externe (“coating”). Les protéines et les lipides pivotent et se déplacent constamment au sein de la membrane, d’où la notion de “fluidité”. Ce concept de mosaïque fluide exprime ainsi le caractère dynamique des membranes cellulaires. Glycoprotéine Glycolipide Glucide Têtes Cholestérol polaires Protéine Fibres cytosquelette Chaînes Protéine périphérique acides gras périphérique Protéine intrinsèque Figure II.2. Modèle de la mosaïque fluide.  La membrane lipidique forme une barrière entre le cytoplasme et le liquide extracellulaire. Parmi les différents types de lipides que l’on rencontre dans les membranes cellulaires, les phospholipides et le cholestérol constituent la fraction principale. Les phospholipides sont composés d’un squelette de glycérol avec deux chaînes d’acides gras à l’une des extrémités et un groupement phosphate sur l’autre extrémité où vient se fixer un groupement variable, qui définit le type de phospholipides. La région glycéro-phosphate qui forme la tête de la molécule est hydrophile (hudôr = eau; philos = ami; affinité pour l’eau) tandis que la région des acides gras qui constitue la queue de la molécule est hydrophobe (phobos = crainte; répulsion pour l’eau) (Figure II.3). Choline Groupe Sérine Inositol Figure II. 3. Structure d’un phospholipide variable Tête membranaire. Le groupe variable est soit la hydrophile choline, soit la sérine, soit l’éthanolamine ou P l’inositol. Glycérol Acide gras Queue hydrophobe Lorsqu’ils sont placés dans une solution aqueuse, les phospholipides s’orientent spontanément de telle sorte que leurs portions hydrophiles (ou polaires) soient en contact avec les molécules d’eau auxquelles ils font face, alors que les acides gras hydrophobes se placent face à face, du côté opposé à l’eau. Cet arrangement particulier peut s’observer dans 3 types de structures comme le montre la  II-4 Figure II.4: les bicouches lipidiques, les micelles et les liposomes. C’est cette orientation spontanée des phospholipides qui permet un assemblage automatique des membranes biologiques pour former des structures fermées, sphériques généralement, et de se reformer lorsqu’une brèche est survenue dans la membrane. Région hydrophile Figure II.4. Structures formées par des Région hydrophobe phospholipides mis en solution aqueuse. Mise en solution aqueuse Selon les conditions d’expérience, des bicouches, des micelles ou des liposomes sont formés. Les liposomes sont des bicouches artificielles en forme de vésicules sphériques eau qui consistent soit en un nid de sphères Bicouche membraneuses concentriques, soit en une lipidique Micelle Liposome seule bicouche lipidique continue entourant un compartiment aqueux. Les phospholipides que l’on rencontre sur le versant extracellulaire de la membrane peuvent être différents des phospholipides que l’on observe sur le versant intracellulaire. Environ 10% des phospholipides qui font face à l’extérieur de la cellule se lient à des glucides pour former des glycolipides. Par ailleurs, bien que les phospholipides soient les lipides principaux des membranes, le cholestérol joue un rôle important. Les molécules de cholestérol sont hydrophobes et s’insèrent dans la portion centrale des bicouches lipidiques (Figure II.2). Elles rendent les membranes imperméables aux petites molécules solubles dans l’eau et gardent les membranes flexibles malgré les changements de température. Le rôle de la bicouche lipidique est essentiellement structurel. Elle forme une barrière que seules les molécules solubles dans les lipides (liposolubles) peuvent traverser. Elle offre un support pour l’ancrage des protéines membranaires. De rares lipides participent à la communication entre l’environnement extra- cellulaire et la cellule.  Les protéines membranaires peuvent être liées lâchement ou fermement à la membrane. Chaque cellule contient entre 10 et 50 types différents de protéines insérées dans la bicouche lipidique. D’un point de vue anatomique, on distingue des protéines qui traversent la membrane (protéines intrinsèques) et d’autres qui y sont associées simplement (protéines périphériques ou adventices) (Figure II.2). Elles peuvent se lier à des glucides pour former des glycoprotéines. Les protéines intrinsèques traversent la membrane de part en part et s’étendent dans les espaces intra- et extra-cellulaires (Figure II.5.A). Elles servent au transport de molécules au travers de la membrane et interviennent dans la transmission de signaux d’un côté à l’autre de la membrane. Bien que la plupart des protéines puissent glisser dans l’épaisseur de la bicouche, certaines entrent en contact avec les fibres et les protéines du cytosquelette ce qui limite alors leur déplacement. Dans certaines cellules, ceci contribue à déterminer une polarité cellulaire où les différents faces de la cellule contiennent des protéines différentes et n’ont ainsi pas les mêmes propriétés. Les protéines périphériques sont attachées moins fermement sur une des faces de la membrane. Certaines d’entre elles sont des enzymes tandis que d’autres lient la membrane au cytosquelette (Figure II.5.B).  II-5 protéine intrinsèque Domaine extra-cellulaire B A Portion hydrophobe Groupements Portion hydrophile hydrophiles des lipides Protéines périphériques Domaine intra-cellulaire (cytoplasmique) Figure II.5. Types de protéines membranaires. A) Protéines membranaires intrinsèques. Ces protéines sont insérées dans la membrane comme une cheville dans un mur. Elles possèdent une portion hydrophobe qui traverse la bicouche alors que le reste de la protéine forme des domaines hydrophiles qui débordent sur une ou sur les deux faces de la membrane. B) Protéines membranaires périphériques. Les protéines périphériques sont associées à la membrane soit aux groupements de tête hydrophiles des lipides, soit aux portions hydrophiles de protéines intrinsèques saillantes à la surface.  Les protéines membranaires ont de multiples fonctions. En physiologie, il est plus commode de classer les protéines membranaires selon les fonctions qu’elles assument plutôt que selon leur structure (Figure II.6). EEC ATP Récepteurs Transport Protéines Protéines membranaires actif ou passif Enzymes d’adhérence de fixation EIC intercellulaire au cytosquelette Figure II.6. Fonctions diverses des protéines membranaires. EEC = espace extracellulaire; EIC = espace intracellulaire. Les protéines structurelles. Elles ont deux rôles majeurs. Elles connectent la membrane au cytosquelette afin de maintenir la forme de la cellule. C’est le cas notamment au niveau des microvillosités qui servent à l’absorption au sommet des cellules intestinales. Elles assurent aussi des liens entre les cellules qui permettent de maintenir la cohésion des tissus (protéines d’adhérence intercellulaire). Les protéines enzymatiques. Elles accélèrent certaines réactions enzymatiques qui ont lieu à la surface des cellules. Par exemple, certaines enzymes de la surface des cellules intestinales permettent la digestion de peptides (produits de décomposition des protéines) et d’hydrates de carbone.  II-6 Les protéines réceptrices. Les protéines réceptrices situées à la surface externe des cellules interviennent dans la réception de signaux au sein de l’organisme. Les récepteurs membranaires comprennent un grand nombre de glycoprotéines et de protéines intégrées qui transmettent différents types de signaux : a) Les signaux de contact interviennent dans la reconnaissance des cellules entre elles. Ils interviennent notamment au cours du développement de l’embryon et dans l'immunité. Certaines bactéries et d'autres agents infectieux se servent également des signaux de contact pour identifier les tissus ou organes qui sont leurs cibles « préférées ». b) Certains récepteurs de la membrane plasmique sont des canaux protéiques qui réagissent aux fluctuations du voltage de la membrane en ouvrant ou en fermant les « portes ioniques » qui leur sont associées. Ils interviennent dans la transmission des signaux électriques dans les tissus excitables tels que les tissus nerveux et musculaires. c) La plupart des récepteurs membranaires assurent la transmission de signaux chimiques. Le récepteur lie une molécule bien déterminée, c’est la spécificité. La molécule qui se fixe sur le récepteur est appelée un ligand. Un exemple est donné par les hormones protéiques qui se fixent sur leur récepteur et déclenchent des modifications diverses au sein des cellules (Figure II.7). Les protéines de transports. Beaucoup de molécules entrent dans les cellules ou en sortent via des protéines de transport. On peut classer ces molécules de transport en 2 grandes catégories: les canaux et les transporteurs, que nous détaillerons dans la section suivante.  Les hydrates de carbones membranaires s’attachent aux lipides et aux protéines. La plupart des hydrates de carbone sont des polymères qui sont attachés soit aux protéines (glycoprotéines) soit aux lipides (glycolipides). Ils s’observent uniquement sur la face externe de la cellule, où ils forment une couche protectrice, le glycocalyx. Comme le glycocalyx de chaque type cellulaire comprend des glucides différents, ils constituent des “marqueurs”qui permettent aux cellules de se reconnaître. Par exemple, les glycoprotéines interviennent dans les réactions immunitaires et dans la détermination des groupes sanguins. Liquide extracellulaire Ligand Figure II.7. Récepteur membranaire. Complexe ligand-récepteur La fixation d’un ligand sur un Récepteur récepteur enclenche toute une série de modifications cellulaires. Membrane cellulaire Modifications cellulaires Liquide intracellulaire II.3. LES CANAUX ET LES TRANSPORTEURS PROTEIQUES MEMBRANAIRES Les membranes cellulaires possèdent à la fois des canaux et des transporteurs. Les canaux protéiques permettent un transfert rapide à travers la membrane mais ne sont pas aussi sélectifs que les transporteurs. Ceux-ci assurent des vitesses de transport plus lentes, mais leur spécificité est plus grande, c’est-à-dire qu’ils distinguent des molécules dont la structure est proche.  Les canaux protéiques forment une voie de passage remplie d’eau qui connecte l’intérieur et l’extérieur de la cellule.  II-7 Les protéines qui constituent les canaux zigzaguent en aller et retour au sein de la membrane en formant des cylindres protéiques qui entourent un canal central rempli d’eau (Figure II.8). Le diamètre de ces canaux est très étroit et seuls les ions, l’eau et les petites molécules (comme l’urée) peuvent le traverser, les ions et l’eau étant les principales molécules qui traversent. Comme ces canaux sont ouverts simultanément sur les deux faces de la membrane, plusieurs millions d’ions peuvent traverser librement par seconde. Un canal peut sélectionner les molécules qui le traversent en fonction de leur charge électrique. Si les acides aminés de la protéine qui bordent le canal sont chargés électriquement, les ions de même signe seront repoussés alors que les ions de signes opposés seront attirés. Par exemple, certains canaux laissent passer les ions positifs (cations) tels que le Na+, le K+, ainsi que les autres ions de taille et de charge électrique similaires. Ces mêmes canaux ne laisseront pas passer les ions Cl- ou les autres ions chargés négativement. D’autres facteurs interviennent aussi pour déterminer une spécificité et en principe un canal ne laisse passer qu’une espèce d’ion. On distingue ainsi des canaux à sodium (Na+), des canaux à potassium (K+) et des canaux à chlore (Cl-)… Canal au centre de la protéine membranaire (vue du dessus) Figure II.8. Structure d’un canal protéique. Les canaux sont formés de sous-unités assemblées dans la membrane et qui ménagent un pertuis central. Canal au centre de la protéine membranaire Dans certains canaux, une partie de la protéine fonctionne comme une “porte” qui bascule pour ouvrir ou fermer le canal. On parle alors de canal contrôlé par une porte. La plupart de ces portes sont situées sur le versant cytoplasmique des protéines. On peut se les représenter comme une “balle” qui peut basculer pour bloquer l’embouchure du canal (Figure II.9). Certains canaux comme ceux des neurones possèdent deux portes (nous y reviendrons plus tard). Liquide extracellulaire canal protéique contrôlé par une porte Figure II.9. Canaux protéiques contrôlés par une porte. Une portion protéique peut basculer pour fermer le Membrane canal. Le passage au travers du canal cellulaire n’est possible que lorsqu’il est ouvert. Porte du canal ouverte Porte du canal fermée Liquide intracellulaire Les canaux qui sont ouverts en permanence permettent le passage des ions sans restriction dans un sens ou dans l’autre (entrée dans la cellule ou sortie de la cellule). Ces canaux sont appelés également canaux de fuite, parce que les ions s’écoulent en permanence au sein du canal central. La plupart du temps, les canaux contrôlés par une porte sont en position fermée, ce qui permet une régulation du trafic des molécules qui les traversent. Lorsque le canal est fermé, aucun transfert n’a lieu entre le milieu extracellulaire et le milieu intracellulaire. Par contre, lorsque le canal est ouvert, les molécules passent librement. Différents facteurs peuvent déterminer l’ouverture et la fermeture de ces canaux: 1) la fixation de molécules messagères ou de ligands sur le canal (canaux ligands-dépendants),  II-8 2) l’état électrique de la membrane (canaux voltage-dépendants), ou encore 3) des facteurs mécaniques comme une modification de température ou un étirement de la membrane (canaux mécaniquement-dépendants). Nous aurons l’occasion d’en voir des exemples dans les chapitres suivants.  Les transporteurs protéiques membranaires fixent des molécules spécifiques. Lorsque le transporteur fixe une molécule spécifique, il change de forme (modification de conformation) et transfère la substance sur le versant opposé de la membrane (Figure II.10). Le temps nécessaire pour la modification de forme de la protéine ralentit le transport de sorte que, selon les transporteurs, seulement 1000 à 100.000 de molécules traversent la membrane par seconde (alors que les canaux laissent passer des millions d’ions par seconde). Les petites molécules organiques, comme le glucose et les acides aminés, traversent les membranes uniquement via des transporteurs. Les ions comme le Na+ et le K+ traversent à la fois via des canaux et via des transporteurs. B Extracellulaire Intracellulaire Océan Océan Porte vers le Atlantique Pacifique A Molécule liquide intracellulaire transportée fermée Membrane Porte fermée cellulaire Transporteur Océan Océan Atlantique Pacifique Océan Océan Porte vers le Atlantique Pacifique liquide extracellulaire fermée Figure II.10. Action d’un transporteur protéique. A) La protéine possède un canal qui s’ouvre alternativement vers l’espace extracellulaire ou vers l’espace intracellulaire. La molécule se fixe sur un des versants de la membrane, la protéine change de conformation et la substance est libérée sur l’autre versant. B) Analogie avec le passage d’un bateau dans le canal de Panama. Plusieurs caractères différencient les transporteurs et les canaux: - Premièrement, la molécule se lie au transporteur au lieu de traverser simplement un canal central rempli d’eau. - Deuxièmement, les protéines transporteuses ne créent pas un passage continu entre l’intérieur et l’extérieur de la cellule. Elles possèdent deux ouvertures, l’une en regard de l’espace extracellulaire et l’autre en regard de l’espace intracellulaire: lorsqu’une des portes est ouverte, l’autre est toujours fermée, ce qui empêche un libre échange entre l’intérieur et l’extérieur de la cellule. Le substrat se lie au porteur sur un des versants de la membrane, ce qui entraîne un changement de conformation de la protéine, de sorte qu’une des portes se ferme pendant que l’autre s’ouvre. Le transporteur libère alors le substrat sur l’autre face de la membrane. Le substrat est ainsi transféré à travers la membrane sans qu’il y ait de communication directe entre les liquides extracellulaire et intracellulaire. On peut faire une analogie avec le passage des bateaux dans le canal de Panama (Figure II.10.B). Nous allons voir maintenant comment les membranes divisent l’organisme en compartiments et comment les membranes régulent les transports de molécules entre ces compartiments.  II-9 II.4. LES COMPARTIMENTS CORPORELS Les membranes cellulaires divisent l’organisme en compartiments différents, tout comme les membranes des organites divisent les cellules en compartiments. Nous avons vu au Chapitre I que la plupart de cellules ne sont pas en contact avec le milieu externe de l’organisme mais sont entourées et baignées par du liquide extracellulaire. En considérant l’ensemble des cellules comme une seule unité, on peut diviser le corps en 2 compartiments: le compartiment intracellulaire et le compartiment extracellulaire. Ce dernier est sub-divisé en compartiment interstitiel qui renferme le liquide qui baigne les cellules, c’est-à- dire le liquide interstitiel [du latin inter- (entre) et stare (se tenir)] et en compartiment plasmatique, formé du plasma, la portion liquide du sang. La Figure II.11 montre les relations entre ces compartiments. Cellules Figure II.11. Compartiments sanguines liquidiens de l’organisme. Les molécules de l’environnement sont distribuées dans tout l’organisme Vaisseau par le plasma jusqu’à ce qu’elles sanguin atteignent les capillaires. A ce Liquide Liquide niveau, la paroi des capillaires Plasma interstitiel intracellulaire laisse passer les substances vers le liquide interstitiel. Ensuite, pour pénétrer dans les cellules, ces substances doivent traverser la Liquide Liquide membrane des cellules. Plasma interstitiel intracellulaire EEC EIC Epithélium « poreux » Membrane cellulaire Les deux compartiments du liquide extracellulaire sont séparés l’un de l’autre par les parois des vaisseaux du système circulatoire. Dans la plus grande partie du système circulatoire, ces parois sont trop épaisses pour que des échanges aient lieu entre le plasma et le liquide interstitiel. Ce n’est qu’au niveau des très petits vaisseaux, les capillaires limités par une seule couche de cellules, que les échanges entre le plasma et le liquide interstitiel se produisent (Chapitre IX). La paroi des capillaires est “poreuse” et agit comme un filtre, en retenant les cellules qui circulent dans le sang et les protéines, mais en autorisant la traversée du reste du plasma et des substances dissoutes qu’il contient. Bien que beaucoup de substances passent librement du plasma vers l’espace interstitiel, la membrane cellulaire est par contre une barrière efficace, qui limite les échanges entre le liquide interstitiel et l’intérieur de la cellule. L’entrée ou non d’une substance dans la cellule, mais aussi sa sortie hors de la cellule, dépendent à la fois des propriétés de la membrane et des propriétés de la substance elle-même. Pour comprendre cette sélectivité des membranes cellulaires, nous devons envisager les mécanismes par lesquels les molécules traversent les membranes, processus essentiels en physiologie. II. 5. LES MOUVEMENTS AU TRAVERS DES MEMBRANES Certaines molécules, comme l’eau, l’oxygène, le dioxyde de carbone (CO2) et les lipides traversent facilement et librement les membranes. Par contre, les ions et les molécules plus grosses, comme les protéines, ne traversent que peu, voire pas du tout, la membrane cellulaire. Lorsqu’une molécule traverse librement la membrane, on dit que la membrane est perméable à la molécule en question. Si la membrane ne permet pas le passage d’une substance, elle est dite imperméable pour cette substance. La perméabilité peut varier, notamment si le contenu en lipides et en protéines de la cellule change.  II-10 Deux caractéristiques des molécules influencent leurs mouvements au travers des membranes: la taille et la solubilité dans les lipides. Une molécule de très petite taille et soluble dans les lipides (liposoluble) traverse librement la couche de phospholipides membranaires. Une molécule plus volumineuse, ou peu soluble dans les lipides (hydrophile ou lipophobe), ne peut pas traverser les membranes, sauf si un mécanisme spécifique permet son entrée. Généralement, ce sont les protéines de la membrane qui assurent ces mécanismes spécifiques. On peut classer de plusieurs façons ces mécanismes de passage transmembranaire: - Soit le passage se fait directement à travers la membrane; soit une protéine intervient dans le transport. - Soit le transport est passif si aucun apport d’énergie n’est requis; soit le transport est actif si une fourniture d’énergie est nécessaire pour que la substance traverse. II.5.1. LA DIFFUSION SIMPLE La diffusion est la tendance qu’ont les molécules et les ions à se répandre dans l’environnement. Dans l’organisme, les molécules se déplacent constamment, entrent en collision les unes avec les autres et rebondissent. Cette agitation moléculaire augmente avec la température. Ces mouvements aléatoires aboutissent à un déplacement des molécules depuis les régions où leur concentration est élevée vers les régions où leur concentration est faible. La diffusion s’effectue donc en suivant un gradient de concentrations (d’une zone de concentration élevée vers une zone de concentration faible). Par exemple, lorsque des molécules (comme une goutte de colorant) sont placées à un endroit dans un récipient d’eau, elles se déplacent pour occuper de manière homogène l’espace disponible (Figure II.12). Si vous ouvrez un flacon d’eau de Cologne, l’odeur du parfum se répand dans la pièce, parce que les molécules ont diffusé de la région où elles étaient concentrées (la bouteille) vers la région où elles étaient peu concentrées (la pièce). La diffusion est ainsi un processus spontané et passif: il ne requiert pas de fourniture d’énergie: il dépend des déplacements et de la distribution aléatoires des molécules. Figure II.12. Agitation moléculaire et diffusion. (1) Une goutte de colorant est placée en solution. (2) Les molécules du colorant sont en agitation constante et entrent en collision entre elles et avec les bords du récipient. Un mouvement net s’effectue depuis la goutte concentrée vers les régions moins concentrées. (3) A l’équilibre, les 1 2 3 molécules se sont réparties uniformément. Les molécules continuent cependant à s’agiter même si la diffusion s’est arrêtée.  La diffusion est un processus lent. Lorsque la concentration des molécules qui diffusent est homogène dans le système, la diffusion s’arrête bien que l’agitation moléculaire persiste. La vitesse de la diffusion, c’est-à-dire le temps nécessaire à l’équilibration des concentrations, est inversement proportionnel au carré de la distance à parcourir : si la distance à parcourir double, le temps nécessaire est multiplié par 4. Par exemple, chez l’Homme, les nutriments mettent 5 secondes pour diffuser du sang vers les cellules, alors que la distance entre les capillaires et les cellules est très faible (100 µm). A cette vitesse, des années seraient nécessaires pour que des nutriments diffusent de l’intestin vers les cellules du pied et les cellules auraient le temps de mourir ! Ceci impose aux organismes complexes comme l’Homme de disposer de systèmes de transport plus efficaces que la simple diffusion. C’est alors le rôle du système circulatoire d’apporter les nutriments et l’oxygène aux cellules à partir de leur lieu de pénétration dans l’organisme (Chapitre IX). D’autres facteurs influencent également la vitesse de diffusion: 1) la vitesse de diffusion est proportionnelle à la température qui influence l’agitation moléculaire.  II-11 2) La vitesse de diffusion est inversement proportionnelle à la taille de la molécule qui diffuse. En effet, les forces de friction entre la surface de la molécule et le solvant (Annexe II, rappel physique) entraînent une résistance au mouvement. Par conséquent, toutes autres caractéristiques étant égales, une petite molécule traversera plus rapidement qu’une grosse molécule. 3) La vitesse de diffusion est proportionnelle à la surface de la membrane traversée. Plus large est la surface, plus grand est le nombre de molécules qui peuvent traverser par unité de temps. Cette notion est importante en physiologie. Ainsi, si une partie de la surface des poumons est abîmée par une maladie (emphysème, par exemple), la quantité d’oxygène qui traverse les poumons est réduite et ceci peut confiner le malade au lit parce que ses muscles ne reçoivent plus assez d’oxygène. 4) Enfin, la vitesse de diffusion est inversement proportionnelle à l’épaisseur de la membrane. Plus la membrane est épaisse, plus le temps nécessaire pour que les concentrations s’équilibrent de part et d’autre de la membrane est important. Ainsi, si la surface pulmonaire est abîmée par des cicatrices, le temps pour que l’oxygène diffuse sera augmenté. Les facteurs qui influencent la diffusion simple à travers une membrane phospholipidique sont résumés dans la Figure II.13. Liquide extracellulaire Concentration externe Taille des molécules Surface Liposolubilité de la Gradient membrane de concentrations Composition Epaisseur de la bicouche de la membrane lipidique Concentration Liquide intracellulaire interne Figure II.13. Schéma des facteurs influençant la diffusion.  La diffusion peut se produire dans un système ouvert ou au travers d’une membrane qui sépare deux systèmes. La diffusion du parfum de l’eau de Cologne dans une pièce est un exemple de diffusion au travers d’un système ouvert. Il n’y a pas de barrière au mouvement des molécules, de sorte que les molécules se déplacent dans la totalité du système. La diffusion peut cependant se produire entre 2 systèmes différents, les espaces intracellulaire et extracellulaire par exemple, à condition que la barrière qui sépare les deux compartiments laisse passer les molécules. Ainsi, si on ferme la porte de la pièce où se trouve le flacon de parfum, l’odeur ne se répandra pas dans la pièce suivante parce que la porte est imperméable au parfum. Liquide interstitiel Canal protéique Figure II.14. Diffusion simple à travers la membrane plasmique. Les molécules liposolubles (à gauche) diffusent directement à travers la bicouche lipidique, Bicouche dans laquelle elles peuvent se dissoudre. A lipidique droite, les petites molécules polaires ou Petit soluté non chargées (molécules d’eau ou ions) diffusent liposoluble à travers des canaux protéiques. Solutés liposolubles  II-12 Dans le cas des membranes cellulaires, une substance passera de l’espace intracellulaire au compartiment intracellulaire et vice-versa si la membrane lui est perméable. Ainsi, la diffusion directement à travers la membrane plasmique (Figure II.14, partie gauche de la figure) est possible dans les cas suivants : 1) La substance est soluble dans les lipides (liposoluble). La propriété de barrière des membranes découle en effet de leur nature lipidique. Les substances qui sont capables de passer au travers des lipides traversent les membranes des cellules par simple diffusion : plus une molécule sera capable de se dissoudre dans les lipides, mieux elle traversera les membranes cellulaires. Une telle substance est également dite non polaire. En règle générale, seuls les gaz (oxygène, gaz carbonique), les lipides, les hormones stéroïdes (hormone sexuelles, par exemple) et les molécules lipophiles traversent les membranes par simple diffusion. 2) La substance doit avoir une taille suffisamment petite pour passer dans les pores de la membrane. Les macromolécules comme les protéines sont trop larges pour passer et elles sortent ou entrent dans les cellules via des vésicules membraneuses, comme nous l’exposerons plus loin. La couche lipidique de la membrane cellulaire empêche son franchissement par les molécules solubles dans l’eau. Cependant, l’eau est le solvant principal de l’organisme : les ions et les autres molécules de l’organisme sont dissoutes dans l’eau (substances hydrophiles ou hydrosolubles) et elles ne se dissolvent pas dans les lipides (substances lipophobes). La plupart des particules hydrosolubles ne peuvent pas diffuser au travers de la bicouche lipidique car elles sont repoussées par son cœur interne formé des chaînes d’acides gras. Néanmoins, les particules polaires ou chargées (ions) diffuseront à travers la membrane si elles sont suffisamment petites pour passer par les pertuis remplis d’eau formés par les canaux protéiques, dont nous avons parlé plus haut (partie droite de la Figure II.14). Cependant, dans le cas des ions, si la diffusion dépend du gradient de concentrations, elle est aussi influencée par la charge des ions et par les différences de charge électrique de part et d’autre de la membrane (comme nous le verrons plus loin). II.5.2. LES TRANSPORT MEDIES PAR DES PROTEINES Le déplacement d’une substance via un transporteur protéique s’appelle un transport médié. Dans une certaine mesure, les canaux qui permettent la diffusion des ions sont des transports médiés par des protéines. Cependant, les transports que nous envisageons ici sont légèrement différents. En effet, ici, le principe est légèrement différent: la substance se fixe transitoirement au transporteur ce qui n’est pas le cas lors d’un passage simple via les canaux ioniques. Si le transport est passif, on parle de diffusion facilitée. Si ce transport nécessite une fourniture d’énergie, directe (énergie fournie par l’ATP) ou indirecte (gradient de concentration), on parle de transport actif.  Tant les transports passifs que les transports actifs montrent une spécificité et une saturation. Bien qu’ils présentent des différences entre eux, toutes les formes de transport médié par une protéine montrent des caractéristiques de spécificité, de compétition et de saturation. La spécificité. La spécificité caractérise le fait que le transporteur ne transporte qu’une seule molécule ou qu’un groupe de molécules apparentées par leur structure. Par exemple, le transporteur du glucose transporte le glucose comme son nom l’indique. Cependant, il transporte aussi d’autres sucres qui sont apparentés au glucose (sucres comprenant 6 atomes de carbone), tels que le mannose, fructose et le galactose. Mais, la vitesse de transport est beaucoup plus élevée avec le glucose qu’avec le mannose. On dit ainsi que l’affinité du transporteur est plus grande envers le glucose, qu’envers le mannose.  II-13 La compétition. Cette propriété découle directement de la spécificité et de l’affinité. La Figure II.15.A montre un exemple de compétition. Dans cet exemple, le transporteur du glucose transporte du fructose présent à l’extérieur de la cellule vers l’intérieur de la cellule à une vitesse constante (nombre de molécules de fructose transportées par minute). A un moment donné, on ajoute du glucose à l’extérieur de la cellule. Comme le transporteur a une affinité plus grande pour le glucose, il commence à transporter du glucose à la place du fructose. Ceci a pour conséquence de ralentir le transport du fructose. La saturation. La vitesse maximale de transport (c’est-à-dire le nombre de molécules transportées par unité de temps) est atteinte lorsque l’on est à saturation. La vitesse de transport dépend de la concentration en substance à transporter et du nombre de transporteurs. Pour un nombre donné de transporteurs, il arrive un moment où la concentration en substance à transporter est telle que tous les transporteurs sont occupés par une molécule de substrat: à ce moment, on atteint la saturation. Dans ce cas, le transport s’effectue à sa vitesse maximale et si on augmente la concentration en substrat, la vitesse n’augmente plus. La Figure II.15.B exprime ce phénomène de saturation. Pour se représenter la saturation, on peut comparer le transport aux portes d’une salle de concert. Chaque porte ne peut laisser passer qu’un nombre maximum de personnes par minute. Supposons que l’ensemble des portes de la salle permette l’entrée de 100 personnes par minute. Lorsqu’il n’y a pas de concert, imaginons que 3 femmes d’ouvrage entrent dans la salle toutes les heures. La vitesse de transport est de 3 personnes / 60 minutes, soit 0,05 personne par minute: cette valeur est bien inférieure à la valeur maximale. Lors du récital d’un groupe local, environ 50 personnes traversent les portes par minute, soit en dessous de la valeur maximale. S’il s’agit d’un groupe connu, des milliers de personnes se pressent aux portes pour entrer. Mais les portes ne laissent passer que 100 personnes/min. Elles fonctionnent à leur vitesse maximale et peu importe que 1000 ou 3000 personnes essayent d’entrer: le système de transport (les portes) est saturé à 100/min. B Saturation Vitesse transport vers la cellule A Compétition Vitesse transport du fructose Addition de glucose Saturation Temps Concentration extracellulaire du substrat Figure II.15. Compétition et saturation. A) Le transporteur transporte le fructose présent dans l’espace extracellulaire vers la cellule. L’addition de glucose dans le milieu extracellulaire ralentit le transport du fructose, car le transporteur se lie préférentiellement au glucose. B) Pour un nombre donné de transporteurs, il arrive que tous les transporteurs soient saturés lorsque la concentration de molécules à transporter augmente. Comment A saturation, une cellulelapeut-elle vitesse de transport éviter est maximale: la saturation? la vitesse Elle peut, n’augmente par exemple, plus même augmenter si on le nombre augmente la concentration en substance à transporter. de transporteurs à la surface de sa membrane. Ceci revient dans notre exemple à augmenter le nombre de portes dans la salle de concert. Dans certaines circonstances, une cellule peut en effet insérer des transporteurs supplémentaires dans la membrane. Inversement, dans d’autres circonstances, la cellule peut diminuer le nombre de transporteurs à sa surface. De la sorte, toute modification du nombre de transporteurs augmente ou diminue la vitesse de transport. II.5.2.1. La diffusion facilitée. Nous avons vu que les molécules polaires traversent difficilement la membrane cellulaire. Cependant, les substances comme le glucose ou les acides aminés qui composent les protéines traversent la membrane  II-14 par diffusion facilitée. Dans ce processus, une protéine les transporte au travers de la membrane cellulaire (Figure II.16). La diffusion facilitée partage des caractéristiques commune avec la diffusion simple: les molécules se déplacent suivant un gradient de concentrations, sans qu’une fourniture d’énergie soit nécessaire. Le transfert de la substance s’arrête lorsque les concentrations sont égales de part et d’autre de la membrane cellulaire. Cependant, comme la diffusion facilitée est assurée par des protéines de la membrane, il existe une spécificité, une compétition et une saturation. Gradient de concentration Soluté non liposoluble Figure II.16. Diffusion facilitée. La diffusion facilitée permet à de grosses molécules (comme le glucose) de traverser la membrane. La substance à transporter se lie à un transporteur protéique de la membrane. Cytoplasme Transporteur protéique (perméase) II.5.2.2. Les transports actifs. Contrairement à la diffusion, les transports actifs déplacent des substances contre un gradient de concentrations. Ainsi, au lieu d’aboutir à un état d’équilibre où les concentrations sont identiques de part et d’autre de la membrane, les transports actifs créent un état de déséquilibre en produisant une concentration plus élevée sur un des côtés de la membrane. Ceci est fondamental. Le transport actif ou pompage de solutés ressemble à la diffusion facilitée car il fait intervenir des protéines qui se combinent de façon réversible et spécifique à la molécule transportée. Cependant, alors que la diffusion facilitée se fait toujours dans le sens d’un gradient de concentrations, les pompes à solutés déplacent ces solutés - principalement des acides aminés et des ions, comme le sodium (Na+), le potassium (K+), et le calcium (Ca2+) - “à contre-courant”, c’est-à-dire contre leurs gradients respectifs de concentrations. Ce déplacement contre un gradient de concentrations et la création d’une asymétrie de concentrations nécessite un apport d’énergie. C’est un peu comme si on faisait remonter une balle le long d’une pente: il faut fournir de l’énergie (pousser la balle) pour vaincre la gravité. Si certains transporteurs actifs ne déplacent qu’une molécule, de nombreux systèmes de transports actifs sont couplés et transportent en même temps deux ou trois composés différents. Un transporteur qui transporte plusieurs molécules est appelé un cotransport. Si les molécules se déplacent dans la même direction (soit vers l’intérieur ou vers l’extérieur de la cellule) on parle de symport. Si les molécules sont transportées dans des directions opposées et se croisent, on parle d’antiport. Symport et antiport sont représentés dans la Figure II.17. Cotransport Figure II.17. Types de transporteurs. Uniport Symport Antiport Lorsque deux substances sont transportées simultanément, on parle de cotransport. Si les deux substances sont transportées dans la même direction il s’agit d’un symport. Si les deux substances sont transportées dans des directions opposées, il s’agit d’un antiport.  II-15 On peut distinguer des transports actifs primaires et secondaires. Dans un transport actif primaire, l’énergie pour le transport vient directement de la décomposition de l’ATP. Les cellules consomment, dans ce cas, l’énergie fournie par le métabolisme cellulaire et mise en réserve sous forme d’ATP (Adénosine TriPhosphate). Dans un transport actif secondaire (ou indirect), le transporteur utilise l’énergie potentielle qui est emmagasinée dans un gradient de concentrations. En définitive, les transports secondaires dépendent d’un transport primaire, puisque l’énergie de l’ATP a été consommée pour établir au préalable le gradient de concentrations ensuite utilisé par le transport secondaire. Le fonctionnement des transporteurs actifs est similaire à celui de la diffusion facilitée. La molécule se lie au transporteur, qui change de conformation, et libère la substance dans le compartiment opposé. Par rapport à la diffusion facilitée, la différence réside ici dans le fait que ces modifications de forme nécessitent un apport d’énergie. Les transports actifs primaires. L’exemple le plus important est donné par la sodium-potassium ATPase (Na+,K+-ATPase ) ou pompe à sodium et potassium qui est un transporteur localisé sur la membrane de toutes les cellules. Le terme ATPase signifie que la pompe hydrolyse (décompose) l’ATP en ADP (adénosine diphosphate) et en Pi (phosphate inorganique). Elle utilise ensuite l’énergie ainsi libérée pour transporter le Na+ et le K+ dans des sens opposés: le sodium est expulsé de la cellule vers le compartiment extracellulaire et le potassium est transporté depuis l’espace extracellulaire vers l’intérieur de la cellule (Figure II.18). Libération du K+ Fixation du Na+ intracellulaire et la cytoplasmique pompe est prête pour 1 sur la pompe et un nouveau cycle déclenchement de la la phosphorylation de 2 la pompe K+ K+ Na+ Na+ + K Na+ Na + + Na+ K+ Na Retour vers la conformation intiale 6 ATP P Pi 3 Modification Liaison du K+ ADP de conformation extracellulaire + Na Na+ de la pompe K+ Na+ K + à la pompe et K+ libération de Pi K+ 5 P Figure II.18. Cycle de la pompe P sodium-potassium. Lire en tournant dans le sens des aiguilles d’une montre. Commentaires dans 4 le texte. A chaque cycle, un ATP est + K+ K Na Na+ + Libération du Na+ consommé, tandis que 3 ions Na+ et dans le liquide 2 ions K+ sont transportés dans des Na+ extracellulaire sens opposés. Ainsi, dans le corps humain, les concentrations en Na+ sont élevées dans le liquide extracellulaire et faibles dans les cellules; c’est l’inverse pour le K+ dont la concentration est élevée dans la cellule et faible dans l’espace extracellulaire (Figure II.19). La concentration en K+ est 20 à 30 fois plus élevée à l’intérieur de la cellule qu’à l’extérieur, et l’inverse est vrai pour le Na+. La pompe sodium-potassium transporte ainsi ces deux ions contre leurs gradients de concentrations respectifs, raison pour laquelle de l’énergie doit être fournie. La pompe sodium-potassium est extrêmement importante car les différences de concentration qu’elle crée et maintient sont utilisées dans divers processus. Elles sont essentielles pour le maintien du volume cellulaire et de quantités normales de liquides dans l’organisme. Les différences de concentration créées sont aussi indispensables au fonctionnement des cellules excitables, comme les cellules nerveuses et musculaires. Les cellules nerveuses, par exemple, utilisent le gradient de sodium pour transmettre des signaux électriques. Enfin, les cellules intestinales utilisent ce gradient pour absorber les nutriments, les ions et l’eau. La section suivante explique comment l’énergie qui est accumulée dans le gradient de sodium est utilisée pour assurer le transport d’autres substances.  II-16 Comme le Na+ et le K+ s’écoulent de façon lente mais continue à travers la membrane plasmique via des canaux protéiques en suivant leurs gradients respectifs de concentrations, le sodium tendant à rentrer dans les cellules et le potassium tendant à en sortir, la pompe à sodium-potassium fonctionne de façon continue comme un antiport qui chasse le Na+ hors de la cellule contre un gradient de concentrations important et qui, simultanément, ramène le K+ vers l’intérieur de la cellule, également contre un gradient de concentrations. mM mM 139 > 4 K+ 12 Figure II.19. Asymétries de concentrations < 145 Na+ entre le liquide intracellulaire et le liquide 4 < 116 Cl- extracellulaire. Le Na+ est beaucoup plus Cellule 0,0002 < 1,8 Ca2+libre concentré à l’extérieur de la cellule et le K+ 138 > 9 X- beaucoup plus concentré à l’intérieur de la 0,8 +/-< 1,5 Mg2+ cellule. 12 < 29 HCO3- Espace extracellulaire Signalons qu’il existe d’autres pompes ioniques qui réalisent des transports actifs primaires dans les cellules. Par exemple, la pompe à Ca2+ capture activement les ions calcium du liquide intracellulaire pour les enfermer dans des organites cellulaires (comme le réticulum) ou pour les éjecter hors de la cellule. Ces pompes contribuent également aux différences de concentrations en ions observées entre le liquide intracellulaire et le liquide extracellulaire (Figure II.19). Les transports actifs secondaires. Ces transports utilisent l’énergie que libère une substance se déplaçant selon son gradient de concentrations. Cette énergie libérée est alors affectée au transport d’une substance contre son gradient de concentrations (couplage). Comment ces transporteurs fonctionnent-t-ils? La plupart du temps, c’est le déplacement du sodium qui fournit l’énergie. En faisant passer le sodium à travers la membrane contre son propre gradient, la pompe sodium-potassium est un mécanisme d’accumulation d’énergie (sous forme d’un gradient ionique). On peut faire une analogie avec le pompage de l’eau vers le sommet d’une conduite. Pour envoyer l’eau vers le haut, il faut fournir de l’énergie. Une fois arrivée en haut, cette eau a accumulé de l’énergie potentielle (due à la gravité terrestre). Elle peut la libérer pour effectuer un travail: en redescendant, l’eau peut activer une turbine qui produit de l’électricité. Il en va de même pour toute substance qui a été déplacée activement à travers une membrane et qui a été concentrée sur un des versants de cette membrane: si elle revient vers son point de départ, elle libère de l’énergie qui est disponible pour effectuer un travail. Ainsi, lorsque le Na+ diffuse de nouveau vers l’intérieur de la cellule à l’aide d’un transporteur protéique, l’énergie qui est libérée permet le cotransport d’autres substances. Lorsque le Na+ pénètre dans la cellule, il entraîne alors avec lui une espèce ionique ou prend la place d’une espèce ionique intracellulaire qui est alors expulsée hors de la cellule. Le transporteur est ainsi symport si la substance est transportée dans le même sens que le sodium; dans l’autre cas, il s’agit d’un antiport si la substance est transportée dans un sens opposé à celui du sodium. La molécule transportée en même temps que le sodium peut être un ion ou une autre molécule non chargée. Le mécanisme du symport du Na+-glucose est illustré dans la Figure II.20. La fixation du Na+ modifie la conformation du transporteur qui prend alors en charge le glucose. Lorsque le glucose s’est fixé, la protéine change de nouveau de forme et libère le glucose qui pénètre à l’intérieur de la cellule. Le résultat net est une entrée intracellulaire de Na+ (qui suit son gradient de concentration) et de glucose (contre son gradient de concentration). Divers acides aminés, certains sucres et de nombreux ions sont ainsi cotransportés avec le sodium vers l’intérieur des cellules qui tapissent le petit intestin. Par la suite, le sodium doit être repompé vers l’extérieur de la cellule pour que son gradient soit maintenu, et c’est là le rôle de la Na+,K+-ATPase. Les gradients ioniques peuvent aussi servir à des systèmes d’antiports comme  II-17 ceux qui expulsent les ions hydrogène (H+) à l'aide du gradient de sodium et qui maintiennent le taux d’acidité cellulaire (le pH). Liquide Liquide extracellulaire intracellulaire [Na+] élevée [Na+] faible [glucose] faible [glucose] élevée Na+ Na+ Symport Glu Na+-glucose Glu B A Glucose Na + Na+ Glu Glu D C Figure II.20. Schéma du fonctionnement du symport sodium-glucose. Explications dans le texte. En résumé, les cellules importent des nutriments qu’elles décomposent pour libérer de l’énergie. Cette énergie est mise en réserve dans l’ATP. L’ATP est notamment utilisé par la pompe sodium- potassium qui fait rentrer le K+ dans la cellule et en fait sortir le Na+. Ceci a pour effet de créer des différences de concentrations en K+ et Na+, de part et d’autre de la membrane cellulaire. Le gradient de sodium est alors utilisé pour fournir de l’énergie à d’autres transports. L’énergie libérée lorsque le sodium rentre dans la cellule selon son gradient de concentrations est utilisée pour transporter différentes substances contre leurs gradients de concentrations. Tous ces processus interviennent dans de nombreux de processus physiologiques variés et importants. Que l’énergie serve directement ou indirectement au mécanisme de transport actif, chaque pompe transmembranaire ne transporte que certaines substances bien définies. Par conséquent, le pompage de solutés et les systèmes de transport couplés permettent à la cellule de se montrer très sélective vis-à-vis des substances qui ne traversent pas la membrane par diffusion (pas de pompe, pas de transport). II.5.2.3. Transports vésiculaires Les transferts de matières qui sont assurés par des transporteurs protéiques sont limités au transport de petites molécules qui peuvent interagir avec les transporteurs. Beaucoup de molécules plus volumineuses (macromolécules) ou diverses particules traversent la membrane selon une autre modalité: le transport vésiculaire. Comme le pompage de solutés, ce transport nécessite la présence d’ATP. Les deux modes principaux de transports vésiculaires sont l’exocytose et l’endocytose.  Dans l’exocytose, le passage se fait de l’intérieur de la cellule vers l’extérieur. L’exocytose (“vers l’extérieur de la cellule”) est un mécanisme de transfert de l’intérieur de la cellule vers l’extérieur. Elle permet la sécrétion d’hormones, la libération de neurotransmetteurs (au niveau des synapses), la libération de mucus (au niveau des bronches et du tube digestif, par exemple), la  II-18 sécrétion des enzymes digestives dans le tube digestif et l’élimination de certains produits du métabolisme des cellules. L’exocytose contribue également à la croissance des membranes. Le produit ou la substance qui doivent subir l’exocytose sont d’abord enfermés dans des sacs intracellulaires entourés d’une membrane, appelés vésicules. Celles-ci migrent en direction de la membrane cellulaire avec laquelle elles fusionnent (Figure II.21). Ce processus de fusion est contrôlé par des protéines spécifiques qui sont présentes à la surface de la vésicule et à la surface de la membrane cellulaire (protéines d’ “amarrage”). Liquide extracellulaire Figure II.21. Exocytose. La vésicule migre en direction de la membrane avec laquelle elle fusionne. Le contenu de la vésicule est alors libéré dans l’espace extracellulaire. Fusion avec la membrane Exocytose Vésicule Cytoplasme  L’endocytose permet l’entrée de macromolécules ou de grosses particules dans la cellule. C’est le processus inverse de l’exocytose. Dans l’endocytose (“vers l’intérieur de la cellule”), la substance qui doit pénétrer dans la cellule est progressivement entourée par un repli de la membrane cellulaire. Ce repli s’invagine ensuite vers l’intérieur de la cellule et forme une vésicule qui se détache de la membrane. Cette vésicule entre dans la cellule et pénètre dans le cytoplasme où son contenu sera digéré. On peut distinguer 3 formes d’endocytose: la phagocytose, la pinocytose et l’endocytose par récepteurs interposés (Figure II.22). Phagocytose Pinocytose Endocytose par récepteur interposé Clathrine Vésicule enrobée Puits tapissé Vacuole de phagocytose Lysosome Figure II.22. Types différents d’ingestion de particules et de macromolécules.  II-19 Lors de la phagocytose (“action de manger”), la membrane cellulaire forme des prolongements (pseudopodes, pseudês = faux; podos = pied) qui viennent entourer une particule présente dans l’espace extracellulaire. La nature de cette particule peut être très variable: bactéries, particules étrangères (poussières, allergènes), débris de cellules, …. La vésicule formée, appelée phagosome (“corps mangé”), se détache de la surface de la cellule et gagne le cytoplasme pour fusionner avec un lysosome, organite cellulaire qui contient des enzymes. Dans le phagolysosome ainsi formé, la partie dégradable de la vésicule sera digérée, alors que le reste formera des corpuscules résiduels qui peuvent s’accumuler dans les cellules. Chez l’homme, la phagocytose est principalement réalisée par les macrophages et certains globules blancs (leucocytes polynucléaires). Ces cellules spécialisées interviennent la défense de l’organisme contre les bactéries et d’autres agents infectieux. Elles “nettoient” aussi l’organisme en éliminant des substances étrangères et les cellules mortes. Elles interviennent aussi dans l’homéostasie en contribuant aux phénomènes de cicatrisation, car l’élimination des débris tissulaires précède la réparation des tissus. Les cellules phagocytaires se déplacent par des mouvement amiboïdes qui consistent à ramper dans les tissus en émettant de proche en proche des pseudopodes. Outre le fait qu’elles “mangent”, les cellules “boivent”. Ce processus est appelé pinocytose (“action de boire de la cellule”). Dans ce processus, le repli formé par la membrane est de taille plus petite que dans la phagocytose et il entoure une gouttelette de liquide de l’espace extracellulaire. Cette gouttelette et les substances dissoutes qu’elle contient pénètrent dans la cellule par une vésicule. Contrairement à la phagocytose qui est dévolue à certains types de cellules, la pinocytose est un processus très répandu, commun à de nombreux types cellulaires. Elle est très importante pour les cellules qui sont impliquées dans l’absorption, comme les cellules intestinales. La pinocytose est aussi observée dans les cellules qui bordent les capillaires (cellules endothéliales) ; elle permet de transférer à travers la cellule des molécules absorbées dans le plasma (protéines notamment) (Figure II.23). Figure II.23. Pinocytose dans les parois capillaires. Le plasma et des substances dissoutes sont captées dans les capillaires Plasma par les cellules endothéliales, sous la forme de vésicules de pinocytose. Ces vésicules traversent la cellule et leur Cellule contenu est déversé dans l’espace endothéliale extracellulaire. Ce processus intervient Pinocytose dans la fourniture de macromolécules aux Transport vésiculaire tissus. Liquide interstitiel Exocytose Lors de la phagocytose et lors de la pinocytose, les fragments de membrane qui ont contribué à former les vésicules sont recyclés et viennent s’ajouter à la membrane cellulaire (notamment au cours de l’exocytose). De la sorte, malgré tous ces transferts de membrane, la surface de la cellule reste constante. Liquide Figure II.24. Schéma de extracellulaire l’endocytose par Ligand 2 récepteurs interposés. Membrane cellulaire 1 Puits tapissés Les étapes successives 9 3 sont représentées par les chiffres. Le récepteur et Récepteur son ligand pénètrent dans 8 la cellule via des vésicules tapissées de Recyclage clathrine. La clathrine est membranaire Clathrine renvoyée vers la 4 membrane cellulaire de 7 5 même que les récepteurs. 6 Le ligand est dégradé Liquide dans la cellule et ses Vers lysosome intracellulaire et appareil de Golgi composants utilisés.  II-20 Contrairement à la phagocytose et à la pinocytose qui ne sont pas du tout sélectives, l’endocytose par récepteur interposé est un processus extrêmement sélectif (Figure II.24). Dans ce cas, en effet, les substances qui entrent dans la cellule se lient préalablement à un récepteur de la membrane qui leur est spécifique. Le récepteur et la substance qui s’y est fixée (ligand) se rassemblent au niveau d’un puits tapissé et pénètrent ensemble dans la cellule, à l’aide d’une vésicule, appelée vésicule tapissée car elle est recouverte sur sa face cytoplasmique d’une couche de protéine, la clathrine. C’est par ce type d’endocytose que des substances diverses telles des lipoprotéines du plasma (qui renferment du cholestérol), le fer ou de petites protéines pénètrent dans les cellules. Une fois que la vésicule a pénétré dans la cellule, son contenu est digéré et utilisé par la cellule. Les récepteurs, les portions de membrane qui formaient la vésicule, et la clathrine sont recyclés et renvoyés vers la membrane cellulaire. Certaines molécules subissent une transcytose (Figure II.25). Dans ce cas, le matériel endocyté traverse la cellule pour se retrouver de l’autre côté. Ce mécanisme explique notamment la sécrétion d’anticorps dans le lait maternel par la glande mammaire. Dans ce cas, l'anticorps se fixe à un récepteur et est libéré dans les sécrétions lactées. Inversement, ce phénomène explique l’absorption d’anticorps du lait maternel par le tube digestif du nourrisson. Transcytose Protéine Récepteur Figure II.25. Schéma général de la transcytose. La transcytose permet notamment de transférer des protéines d’un côté à l’autre d’une cellule intestinale. Vacuole Vaisseau II.6. LA DISTRIBUTION DE L’EAU ET DES SOLUTES DANS L’ORGANISME. Dans l’organisme, les solutés, comme les ions et les molécules organiques, se répartissent d’eux- mêmes, selon qu’ils peuvent ou non traverser les parois des capillaires. Les concentrations intracellulaire et extracellulaire des molécules, comme l’eau, qui diffusent à travers les membranes sont identiques. Par contre, des molécules comme les ions qui nécessitent des transporteurs pour franchir les membranes peuvent avoir des concentrations intracellulaires différentes des concentrations extracellulaires. Ces différences de concentrations proviennent du fait que la membrane cellulaire laisse passer librement certaines molécules mais, par contre, limite le mouvement d’autres molécules (perméabilité sélective). Par exemple, la Na+,K+-ATPase entraîne une concentration de K+ élevée dans le cytoplasme alors que la concentration de Na+ y est faible. Nous allons examiner les mouvements de l’eau qui accompagnent les mouvements des solutés.  Les cellules vivantes consomment de l’énergie pour maintenir un état de déséquilibre chimique.  II-21 Dans la diffusion, nous avons vu que ce processus s’effectue jusqu’à une égalisation des concentrations dans les différentes parties du système, une condition appelée équilibre chimique. Cependant, vu la perméabilité sélective des membranes cellulaires, très peu de substances sont en équilibre chimique dans l’organisme. Suite aux mécanismes de transports, l’organisme est maintenu dans un état de déséquilibre chimique, comme le montre la Figure II.26. Cette figure montre les compositions en solutés des 3 compartiments corporels de l’organisme. Les ions et d’autres solutés sont présents dans les 3 compartiments, mais leur concentrations intracellulaire et extracellulaire sont très différentes. Les concentrations des ions phosphate et potassium sont élevées à l’intérieur de la cellule, alors que les concentrations du sodium et du chlore sont plus élevées à l’extérieur de la cellule. On trouve des protéines dans le plasma et dans les cellules mais pas dans le liquide interstitiel, car les protéines ne traversent pas les capillaires. La concentration du calcium est beaucoup plus élevée à l’extérieur des cellules qu’à l’intérieur, quoique les cellules concentrent le calcium au sein de certains organites (réticulum et mitochondries, par exemple). Suite à l’existence de mécanismes de transports qui consomment en permanence de l’énergie, l’organisme est ainsi maintenu constamment en un état de déséquilibre. Ces différences de concentrations sont un aspect caractéristique des êtres vivants. Liquide Liquide extracellulaire: 33% intracellulaire: 67% Na+ Na + Na+ Na+ K+ Na +,K+ K+ K+ ATPase Cl- Cl - K+ Organites Cl- Phosphates Ca 2+ Ca2+ Protéines- Ca 2+ Protéines Ca 2+ 300 300 300 mOsm mOsm mOsm Plasma Liquide Liquide intracellulaire (8%) interstitiel (25%) (67%) Figure II.26. Distribution des solutés dans les compartiments. Les compartiments sont en déséquilibre chimique. Le fluide intracellulaire contient des concentrations élevées de protéines, de K+, de phosphates, et faibles de Na+, Cl- et Ca2+ libre. Dans les fluides extracellulaires, l’inverse est observé. Les protéines ne sont présentes que dans le plasma. L’eau se déplace librement entre les compartiments, de sorte que les  compartiments L’eau se distribue à travers sont en équilibre l’ensemble de l’organisme. osmotique. L’eau, solvant principal de l’organisme, traverse les membranes et se répartit jusqu’à ce que sa concentration soit identique dans les 3 compartiments. Si nous regardons les volumes respectifs des différents compartiments, on voit que chez l’Homme, l’eau totale représente en moyenne +/- 60% du poids corporel (ce pourcentage varie selon l’âge et le sexe). Plus ou moins 67% de l’eau est contenu dans l’espace intracellulaire, les 33% restants se répartissant entre les compartiments interstitiel (25%) et plasmatique (8%). Ainsi, chez un individu de 70 kg, 42 kg sont représentés par l’eau totale. Ces valeurs sont des valeurs moyennes car des variations individuelles existent.  L’eau traverse les membranes par osmose. La diffusion d’un solvant, par exemple l’eau, à travers une membrane à perméabilité sélective comme la membrane cellulaire est appelée osmose. L’osmose se produit quand la concentration d’eau n’est pas la même des deux côtés de la membrane.  II-22 Pour comprendre ce mécanisme, nous allons utiliser un modèle et puis nous verrons ce qui se produit au niveau des organismes vivants. Si une membrane à perméabilité sélective sépare deux compartiments A et B contenant de l’eau distillée, l’eau traverse la membrane dans les deux sens et le flux d’eau de A vers B est égal au flux de B vers A: aucun flux net d’eau ne se produit. Si maintenant, nous plaçons dans un des compartiments (B, par exemple) un soluté, et que le volume de ce compartiment est constant, la concentration des molécules d’eau dans ce compartiment diminue. En effet, à volume constant, la concentration des molécules d’eau dans la solution est inférieure à celle de l’eau pure parce que les molécules de solutés diminuent le volume « disponible » pour l’eau et la concentration de l’eau lorsque le volume total de la solution reste constant (Figure II.27). L’eau passe alors par osmose du compartiment A vers le compartiment B. A B EAU PURE SOLUTION Figure II.27. Solution et concentration en eau. A volume constant, par rapport à l’eau pure, la concentration des molécules d’eau est inférieure dans une solution. Si la membrane qui sépare la solution et l’eau pure est imperméable aux solutés, un flux d’eau s’effectuera de l’eau pure vers la solution. Molécule Membrane à Molécule de soluté d’eau perméabilité sélective enrobée de molécules d’eau La diminution de concentration de l’eau dépend du nombre de particules de solutés et non de leur nature, parce que théoriquement chaque molécule de soluté déplace une molécule d’eau. La concentration totale de toutes les particules de la solution est appelée osmolarité de la solution. L’osmolarité d’une solution se calcule en tenant compte du nombre de particules en solution. Elle s’exprime en OsM/l (ou en mOsM/l pour les solutions diluées). L’osmolarité est donc différente de la molarité qui représente le nombre de moles par litre de solution (mol/L), une mole contenant 6 x 1023 particules (nombre d’Avogadro) (Annexe II.A, rappels de physique). Par exemple, en solution 0,5 M en NaCl contient 0,5 M d'ions Na+ et 0,5 M d'ions Cl- car elle se dissocie et elle aura la même pression osmotique (cf. infra) qu'une solution 1M de glucose ou de lactose qui ne se dissocient pas. Lorsque deux solutions d’osmolarités différentes et de même volume sont séparées par une membrane qui est perméable aux solutés et aux molécules d’eau (soit à toutes les molécules du système), une diffusion nette de l’eau et des solutés se produit, selon leurs gradients de concentration. Au bout d’un certain temps, le système est équilibré et les concentrations d’eau et de solutés sont identiques dans les deux compartiments qui ont chacun gardé leur volume de départ. Imaginons maintenant la situation décrite par la Figure II.28. Si on considère les mêmes compartiments de départ, mais avec cette fois une membrane perméable à l’eau et imperméable aux solutés, on obtient un résultat très différent. L’eau diffuse alors du compartiment A (le plus concentré en soluté) vers le compartiment B (le moins concentré en solutés). Le mouvement de l’eau se poursuit jusqu’à ce que les concentrations en molécules d’eau soient identiques dans les 2 compartiments. Dans le même temps, le volume du compartiment A (le plus concentré au départ) a diminué et celui du compartiment B (le moins concentré au départ) a augmenté. L’équilibre a résulté ici du seul mouvement de l’eau. Ce mouvement de l’eau est similaire à la diffusion, en ce sens que l’eau se déplace d’une zone où sa concentration est élevée vers une zone où sa concentration est faible. Ce mouvement de l’eau résulte d’une pression osmotique. La pression osmotique est égale à la pression hydrostatique qu’il faut exercer avec un piston pour s’opposer au déplacement de l’eau (Figure II.28, partie C).  II-23 Membrane perméable à l ’eau et A imperméable B aux solutés C Piston A B A B P Eau pure Solution H2O H2O Figure II.28. Pression osmotique. 1) Les deux compartiments A et B (eau pure et solution) sont séparés par une membrane perméable à l’eau et imperméable aux solutés. L’eau diffuse vers la solution B pour équilibrer son gradient de concentration. 2) A l’équilibre, le volume du compartiment B a augmenté, celui du compartiment A a diminué. Le flux d’eau est arrêté et la concentration des molécules d’eau est identique de part et d’autre de la membrane. 3) une pression hydrostatique exercée par un piston sur le compartiment B empêche le flux d’eau. La pression P exercée est égale à la pression osmotique de la solution. Remarquons qu’un transfert d’eau se produit également si deux solutions de concentrations différentes sont séparées par une membrane perméable à l’eau mais pas aux solutés (Figure II.29). M em brane perm éable à l ’eau et im perm éable aux solutés Figure II.29. Transfert d’eau entre 2 solutions Solution A Solution B de concentrations différentes. Si la membrane qui sépare les solutions est imperméable aux solutés et perméable à l’eau, un flux d’eau s’effectuera depuis la solution la moins H 2O concentrée vers la solution la plus concentrée.  La tonicité d’une solution fait référence aux variations de volume cellulaire. Les cellules animales sont entourées de membranes souples. En cas de déséquilibre osmotique avec le milieu qui les baigne, elle subissent des variations de volumes, soit un gonflement ou une rétraction (en cas de gain ou de perte d’eau). Cette variation se poursuit jusqu’à ce que la concentration de soluté soit la même des deux côtés de la membrane (état d’équilibre) ou que la membrane se rompe. Ceci amène à introduire la notion de tonicité. Nous avons vu que de nombreuses molécules, notamment les protéines intracellulaires et les ions, ne diffusent pas librement au travers de la membrane plasmique. Par conséquent, tout changement de leur concentration modifie la concentration d’eau des deux côtés de la membrane et entraîne un gain ou une perte d’eau par la cellule. La capacité d’une solution de modifier le tonus ou la forme des cellules en agissant sur leur volume d’eau interne est appelée tonicité. La tonicité est ainsi un terme physiologique relatif aux variations de volume cellulaire observées lorsqu’une cellule est placée en solution. Par convention, on situe toujours la solution par rapport à la cellule, et il n’y a pas d’unités pour décrire ce phénomène relatif. Lorsqu’une cellule est placée dans une solution:  II-24 - si le volume cellulaire ne change pas (la cellule ne gagne ni ne perd de l’eau par osmose), la solution est dite isotonique (“même tonicité”), c’est-à-dire que la concentration en solutés non-diffusibles est identique à celle que l’on trouve dans les cellules. - si la cellule perd de l’eau par osmose et se rétracte, la solution est dite hypertonique, c’est-à- dire qu’elle contient plus de solutés non-diffusibles que la cellule. - si la cellule devient turgescente et gonfle, la solution est hypotonique, c’est-à-dire qu’elle contient moins de solutés non-diffusibles que la cellule. L’eau distillée qui ne contient aucun soluté est l’exemple extrême de solution hypotonique: une cellule placée dans l’eau distillée gonfle jusqu’à éclater (lyse cellulaire). La tonicité dépend ainsi non seulement de l’osmolarité mais aussi surtout de la nature des solutés en solution. Par “nature”, on entend le caractère diffusible on non des solutés dans la cellule. Le soluté non-diffusible le plus important en physiologie est le NaCl. Si une cellule est placée dans du NaCl, Na+ et Cl-