Transport Membranaire 1 - Cours 1 PDF

Transport Membranaire 1 MEMBRANE PLASMIQUE ET ESPACES LIQUIDIENS Les 4 grands systèmes végétatifs Convection et diffusion Espaces liquidiens Composition des liquides corporels La membrane plasmique: une barrière sélective Protéines de transport Transport passif et actif  Les 4 systèmes végétatifs...

Transport Membranaire 1 MEMBRANE PLASMIQUE ET ESPACES LIQUIDIENS Les 4 grands systèmes végétatifs Convection et diffusion Espaces liquidiens Composition des liquides corporels La membrane plasmique: une barrière sélective Protéines de transport Transport passif et actif  Les 4 systèmes végétatifs Système digestif Système respiratoire Respiration Système cardiovasculaire 7.5 l/min Nutrition eau: 2.5 l/j aliments: 500 g/j Système urinaire Excrétion urine:1.5 l/j Circulation 5 l/min  Les espaces liquidiens artériole veinule  Le milieu intérieur « Le milieu intérieur doit être liquide parce que l'eau est indispensable aux réactions chimiques, ainsi qu'à la manifestation des propriétés de la Claude Bernard (1813-1878) nature vivante. » Distribution de l’eau 6 X 7 = 42 4 X 7 = 28 2 X 7 = 14 Distribution de l’eau corporelle Total body water Eau totale (TBW) 0.6 x body weight 60% 42 L (70Kg) Extracellular fluid Intracellular fluid (ECF) (ICF) Intracellulaire 0.2 x body weight 0.4 x body weight 40% 14 L 28 L Cell membrane Interstitial fluid Plasma Extracellulaire 3/4 of ECF 1/4 of ECF 20% 10.5 L 3.5 L Capillary wall Règle du 60-40-20  Liquides corporels Na + Na + K + protéines protéines Plasma Interstice Cellules  Liquides corporels (mM) Na+ ……………………....... 145 ……………………………………… 12 K+ ………………………… 4 ……………………………………… 120 Ca2+ ……………………….. 1.2* ……………………………………… 0.0001* Mg2+ …………………………. 1 ……………………………………… 12 Cl- ………………………….. 110 ……………………………………… 10 HCO3- …………………………. 24 ……………………………………… 10 Phosphates ………………………. 2 ……………………………………… 40 Glucose ………………………………. 5 ……………………………………… 2 Extracellulaire Intracellulaire *Ionisé  Liquides corporels (mM) Na+ ……………………....... 145 ……………………………………… 12 K+ ………………………… 4 ……………………………………… 120 Ca2+ ……………………….. 1.2* ……………………………………… 0.0001* Mg2+ …………………………. 1 ……………………………………… 12 Cl- ………………………….. 110 ……………………………………… 10 HCO3- …………………………. 24 ……………………………………… 10 Phosphates ………………………. 2 ……………………………………… 40 Glucose ………………………………. 5 ……………………………………… 2 Extracellulaire Intracellulaire *Ionisé Membranes Cellulaires  Phospholipides membranaires Tête aussi choline, sérine, inositol.. hydrophile Queue hydrophobe  Perméabilité des bicouches CO2 Gaz N2 msec O2 Petites molécules Urée polaires non chargées Ethanol 8 minutes Eau H2O 1 heure Grandes molécules polaires Glucose 14 heures non chargées Na+ K+ Ions Ca2+, Mg2+ >2 ans HCO3-, HPO4- Molécules Ac. Aminés polaires ATP >2 ans chargées Glucose-P La bicouche lipidique: une barrière presque infranchissable Membrane plasmique  Permeabilité des membranes CO2 Gaz N2 msec O2 Petites molécules Urée sec polaires non chargées Ethanol Eau H2O nsec Grandes molécules polaires Glucose msec non chargées Na+ K+ Ions Ca2+, Mg2+ HCO3-, HPO4- µsec Molécules Ac. Aminés polaires ATP sec chargées Glucose-P La membrane plasmique: une barrière sélective Canaux à eau (aquaporines) B.L. de Groot and H. Grubmüller: Science 294:2353 (2001)  Protéines de transport ATP ADP+Pi Canaux Pompes Transporteur Canaux membranaires  Transporteurs Uniport : protéine qui transporte une seule espèce chimique à la fois; Symport : protéine qui transporte simultanément deux, ou plus de deux, espèces chimiques dans le même sens ; Antiport : protéine qui transporte successivement deux, ou plus de deux, espèces chimiques dans deux sens opposés. Uniport Symport Antiport  Mode de transport Protéine transporteuse Mécanisme du transport Canaux Transport passif Pompes Transport actif Uniports Transport passif (diffusion facilitée) Symports Transport secondairement actif Antiports Transport secondairement actif  Vitesses de transport Protéine transporteuse Vitesse de transport (molecules/sec) Canaux à eau 109 (milliards) Canaux ioniques 106- 108 (millions) Pompes 102- 104 (milliers) Transporteurs 102- 104 (milliers)  pingo.upb.de Session N° 1961 Transport Membranaire 1 MOLECULES ET MECANISMES DE TRANSPORT Biophysique du transport membranaire Transport passif par diffusion simple Electrodiffusion Potentiel de membrane, potentiels d’équilibre Les « forces » du transport Gradient de température Gradient de pression Gradient chimique Gradient Gradient électrique électrochimique Diffusion  Mouvement des molécules Vitesse d’une molécule d’eau (à 37°C): 2’500 km/sec Vitesse d’une molécule de glucose (à 37°C): 850 km/sec Eau: 55 moles/litre (1 mole = 6.02 x 1023)  Diffusion Einstein, 1905 Distance Temps x2 t  1 µm 0.5 msec 2D 10 µm 50 msec t = temps de diffusion 100 µm 5 sec x = distance de diffusion 1 mm 8.3 min D = coefficient de diffusion 1 cm 14 h Stokes-Einstein Energie kT k = Constante de Boltzmann D thermique T = température en degrés Kelvin 6r r = rayon de la molécule η = viscosité du milieu Taille de la molécule  Diffusion Temps A Temps B Temps C 20 concentration du glucose (mmol/L) C1 C1 = C2 = 10mmol/L 10 C2 0 A B C  Diffusion C loi de Fick (1855) J = -DA (1ère loi de la diffusion) X J = flux de diffusion par seconde D = coefficient de diffusion (=capacité à passer la membrane) A = surface permettant la diffusion (=surface de la membrane) ΔC = gradient de concentration ΔX = distance de diffusion (=épaisseur de la membrane)  Diffusion Extérieur Intérieur Co Cl Membrane Canaux à eau (aquaporines) Tajkhorshid, E et al. (2002). Science 296:525  Diffusion à travers une membrane J = -P (Ci-Co) mol cm mol cm2. sec sec cm3 J = flux de diffusion à travers la membrane P = coefficient de perméabilité Ci = concentration à l’intérieur de la cellule Co= concentration à l’extérieur de la cellule  Energie du gradient chimique Boltzmann   RT ln(Ci / Co ) J J mol cm3 mol cm3  = Energie du gradient chimique R = constante des gaz T = température en degrés Kelvin Ci = concentration à l’intérieur de la cellule Co= concentration à l’extérieur de la cellule 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 Extérieur - - - - - - + Intérieur - - - - - - - - - -- - - - - C - o Cl - - - - - - - - - - - - --- - Membrane  Electro-diffusion Extérieur - + Intérieur - - - - - -- - - Co C - -- - l - - - - - - - - Membrane Potentiel d’équilibre -+ -+ K + -+ K+ 10 mM 100 mM - + -+ -+ force générée par la différence de concentration (sortante) force générée par le potentiel électrique transmembranaire (entrante)  Potentiel d’équilibre -+ -+ K + -+ K+ 10 mM 100 mM - + -+ -+ Le gradient chimique génère l’équivalent d’un potentiel électrique dont la direction dépend de la direction du gradient chimique (entrant: CoCi ou sortant: CiCo) et de la valence de l’ion transporté (z=positif pour cations, z =négatif pour les anions)  Potentiel de membrane Potentiel négatif -+ Vm=Qi-Qo -+ -+ -+ -+ -+ Par convention, le potentiel électrique transmembranaire est la différence des charges électriques positives (Q) entre le feuillet interne et le feuillet externe de la membrane  Potentiel de membrane Circuit électrique Membrane plasmique La membrane plasmique est isolante et accumule les 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 électriquement chargés!  Potentiel électro-chimique Equation de Nernst (1888) i  RT ln(Ci / Co )  zF  ~ Energie Energie chimique électrique z =valence de la molécule chargée (Na+,K+: +1; Ca2+: +2; Cl-: -1) F = constante de Faraday  = différence de potentiel électrique transmembranaire  Potentiel électro-chimique i  RT ln(Ci / Co )  zF  ~ Energie Energie chimique électrique ~  : somme des forces exercées sur la molécule i Calcul du potentiel d’équilibre A l’équilibre: ~  = 0 i L’énergie chimique contre-balance l’énergie électrique Les forces sont égales mais de sens opposé Calcul du potentiel d’équilibre 0 = RT ln(Ci /Co) + zF Energie Energie chimique électrique Calcul du potentiel d’équilibre __ RT ln(Ci /Co) = zF zF  = RT ln(Ci /Co) __ zF 60 log z Calcul du potentiel d’équilibre -+ -+ K + -+ K+ 10 mM 100 mM - + -+ -+  = __ 60 log(100 /10) = -60 mV +1  Potentiels d’équilibre Concentration Concentration Potentiel Ion Extracellulaire Intracellulaire d’équilibre (mM) (mM) (mV) Na+ 145 12 +65 K+ 4 120 -90 Cl- 105 30 -35 Ca2+ 1.2 0.0001 +120  Résumé  Distribution de l’eau corporelle - règle du 60-40-20  Composition ionique des liquides intra et extracellulaires  La bicouche lipidique est quasiment infranchissable  Des protéines de transport sont insérées dans la bicouche lipidique: canaux, pompes, transporteurs  Dans la plupart des cas, le mouvement des molécules se fait suivant leur gradient de concentration et/ou leur gradient électrochimique  Le potentiel d’équilibre des ions se calcule grâce à l’équation de Nernst  Résumé Transport 3Na+ Na+, K+ - ATPase Primairement actif ATP de Na+ et K+ 2K+ Na+ Na+ channel Transport K+ K+ channel passif Glucose Glucose uniporter Transport 3Na+ Secondairement actif 3Na+ - Ca++ antiporter Ca++ de Ca+ Concentrations Concentrations Extracellulaires Intracellulaires Na+ : 145 mEq/L Na+ : 12 mEq/L K+ : 4 mEq/L K+ : 120 mEq/L Glucose : 5 mmol/L Glucose : 2 mmol/L Ca++ : 2.5 mEq/L (ionisé) Ca++ : 0.001 mEq/L (ionisé) Berne & Levy Physiology, 6th edition Vm=-60mV