Chapitre 4 : La membrane plasmique et ses fonctions

Quels sont les composants de la membrane plasmique ?

• une bicouche de phospholipides formant une barrière imperméable; + cholestérol (dans les cellules animales)

• des protéines transmembranaires exerçant diverses fonctions (transport, communication, ...)

• un réseau de protéines intracellulaires (périphériques) liées au cytosquelette, assurant le soutien

• divers marqueurs de surface, sous forme de chaînes glucidiques liées à des protéines (glycoprotéines) ou des lipides (glycolipides), donnent l’identité des cellules. Forment ensemble le glycocalyx

Structure des phospholipides ?

Les phospholipides sont le constituant principal des membranes plasmiques. Ils sont constitués de :

• une tête polaire (hydrophyle) et deux queues apolaires (hydrophobe)

→ Ils forment spontanément une bicouche → la zone interne apolaire empêche le passage de substances hydrophiles

Est-ce que les phospholipides sont immobiles dans la membrane ?

La membrane n’est pas figée. Elle est fluide. Les phospholipides peuvent se déplacer les uns par rapport aux autres au sein de la bicouche. Ce mouvement permet aussi aux protéines membranaires de se déplacer librement au sein de la membrane

Expérience qui prouve la fluidité des membranes ?

1. On a fusionné une cellule de souris (avec des protéines de surface rouges) et une cellule humaine(avec des protéines bleues).

2. Au moment de la fusion, les protéines de chaque espèce restent d'abord de leur côté.

3. Résultat : Après un certain temps, les protéines se sont complètement mélangées pour obtenir une répartition homogène.

Cela prouve que les protéines ne sont pas fixées : elles ont pu "nager" et se déplacer dans la membrane lipidique grâce à sa fluidité

Quelles peuvent être les fonctions des protéines membranaires ?

Les protéines membranaires peuvent être :

• Transporteurs

• Enzymes

• Récepteurs de surface

• Marqueurs de surface

• Protéines d’adhérence

• Protéines de fixation au cytosquelette

Caractéristiques des transporteurs ?

Les transporteurs permettent le transfert sélectif de substances à travers la membrane (entrée ou sortie). Il en existe 2 types : canaux et transporteurs

Caractéristiques des enzymes ?

Les enzymes catalysent de nombreuses réactions enzymatiques qui ont lieu à la face interne de la membrane plasmique

Caractéristiques des récepteurs de surface ?

Les récepteurs de surface reconnaissent des molécules à l’extérieur de la membrane

→ ils transmettent alors un signal chimique à l’intérieur de la cellule

Caractéristiques des marqueurs de surface ?

Les marqueurs de surface sont le plus souvent des glycoprotéines. Ils marquent les cellules pour leur donner une identité spécifique

Caractéristiques des protéines d’adhérence ?

Les protéines d’adhérence permettent aux cellules d’adhérer les unes aux autres. Ces interactions entre cellules peuvent être momentanées ou permanentes

Caractéristiques des protéines de fixation au cytosquelette ?

Les protéines de fixation au cytosquelette sont souvent des protéines d’adhérence. Elles se fixent au cytosquelette par l’intermédiaire de protéines de liaison (adaptatrices)

Structure des protéines transmembranaires ?

Les protéines transmembranaires :

• traversent la membrane de part en part

• possèdent un (ou plusieurs) domaine transmembranaire, constitué d’acides aminés apolaires (hydrophobes), retenu à l’intérieur de la bicouche lipidique

• Les extrémités polaires de la protéine font saillie de part et d’autre de la membrane

Structure des protéines membranaires extrinsèques

Les protéines membranaires extrinsèques sont attachées à la membrane par des molécules d’ancrage qui s’associent aux phospholipides.

Les molécules d’ancrage sont des lipides modifiés attachés d’une part à la protéine (lipoprotéine) et insérés d’autre part dans la membrane

Passage de substances au travers de la membrane (général) ?

Il y a un flux continuel (entrée et sortie) de molécules entre la cellule et le milieu extérieur pour :

• capture de nutriments

• ajustement du pH, des concentrations ioniques

• sécrétion de substances...

Mais la bicouche lipidique, en raison de sa nature hydrophobe, laisse passer des molécules apolaires, mais est imperméable aux molécules polaires

Quels sont les modes de passage possibles de substances au travers de la membrane ?

Plusieurs modes de passage de molécules à travers la membrane :

• diffusion simple à travers la bicouche lipidique (molécules apolaires)

• transport à l’aide de protéines transmembranaires (molécules polaires, chargées)

• endocytose/exocytose par repliements de la membrane (grandes molécules)

→ possibilités de régulation du passage de substances à travers la membrane

Entrée et sortie de substances dans la cellule (image) ?

Principe de la diffusion ?

Les molécules et ions en solution sont en mouvement constant

→ mouvement net depuis les régions plus concentrées vers les régions moins concentrées (= diffusion) jusqu’à l’égalisation des concentrations

Type de diffusion existant ?

• Diffusion simple

• Diffusion facilitée (= transport passif)

• Diffusion de l’eau à travers la membrane = osmose

Diffusion simple principe ?

La diffusion simple se base sur le principe de la diffusion.

Elle concerne les molécules apolaires, non chargées, (+ gaz) capables de passer à travers la bicouche lipidique (exemples: O₂, CO₂, hormones stéroïdes, ...)

• La diffusion se fait selon le gradient de concentration

• Passage dans les deux sens possibles, jusqu’à l’égalisation des concentrations

Diffusion facilitée principe ?

La diffusion facilitée se fait aussi selon le gradient de concentration. Donc elle ne requiert pas d’énergie

Elle concerne les molécules polaires et/ou chargées qui elles, sont incapables de passer à travers la bicouche lipidique (exemples: ions, glucose, acides aminés, ...)

Le passage se fait donc par des structures protéiques transmembranaires de deux types:

• canaux

• transporteurs

Diffusion facilitée par les canaux ioniques ?

Les canaux ioniques sont formés de protéines transmembranaires

Ils permettent une circulation libre (entrée et sortie) des ions, en fonction de leur gradient de concentration

Ils sont souvent spécifiques pour un ion donné (Ca++, Na+, K+, Cl-)

Certains sont régulables (ouvert / fermé) → pas ouverts en permanence

Diffusion facilitée par les transporteurs ?

• Les transporteurs sont également appelés “perméases“ → le transport n’est pas libre, il est controlé

• Ils sont formés de protéines transmembranaires

• Il y a une étape de fixation de la molécule à transporter → implique une saturation possible et donc une vitesse de transport limitée (fonctionne comme un tourniquet à l’entrée d’un stade)

• Le transporteur a une grande spécificité pour la molécule à transporter: ex. ions, glucose, acides aminés

• Il peut fonctionner dans les deux sens (entrée - sortie)

Principe de l’osmose ?

Dans une solution aqueuse, tant les molécules dissoutes (solutés) que les molécules d’eau sont en mouvement

→ Si deux solutions de concentrations différentes sont séparées par une membrane qui est perméable à l’eau mais pas aux solutés (semi-perméable), les molécules d’eau vont migrer à travers la membrane vers la solution la plus concentrée : c’est l’osmose

→ la solution la plus concentrée est dite hypertonique, la moins concentrée hypotonique; deux solutions de même concentration osmotique sont dites isotoniques

C’est quoi la pression osmotique ?

Pression osmotique = la pression à appliquer pour arrêter le flux d’eau

Si j’ai d’un coté de la membrane de l’eau salée et de l’autre de l’eau pure, l’eau pure va aller du coté eau salée pour la diluer → eau monte du coté salé

→ imagine que tu ne veux pas que l'eau monte du côté eau salée. Tu installes un petit piston au-dessus et tu appuies dessus pour bloquer l'eau et l'empêcher de monter.

La force exacte que tu dois appliquer avec ton piston pour empêcher l'eau de passer, c'est cela la pression osmotique.

Plus le côté est rempli de sel, plus il aspire l'eau fort, et plus la pression osmotique est élevée

C’est quoi la concentration osmotique ?

La concentration osmotique d’une solution dépend de la concentration de l’ensemble des solutés

Pression osmotique dans les cellules ?

• Si on rajoute une solution hypertonique dans notre sang, le milieu extérieur est plus concentré donc l’eau contenue dans les globules va sortir pour diluer le milieu extérieur → on obtient des globules contractées

• Si on rajoute une solution isotonique, les deux milieux (dans le globule et à l’extérieur) sont de même concentration → cellules normales

• Si on rajoute une solution hypotonique dans notre sang, l’intérieur du globule est plus concentré donc l’eau va rentrer dans les globules rouges pour diluer le milieu → les cellules gonflent et éventuellement éclatent

→ les solutions injectées aux patients, (par ex. perfusions) doivent donc être isotoniques par rapport au sang. Pour ça, on utilise un liquide physiologique: 0,9% NaCl

Comment l’eau passe à travers les membranes ?

La capacité de diffusion de l’eau à travers la bicouche lipidique est faible (car l’eau est est fortement polaire et la membrane ne laisse diffuser que les molécules apolaires)

Donc elles traversent la membrane grâce aux aquaporines. Ce sont des canaux protéiques qui facilitent le passage de l’eau à travers la membrane (diffusion facilitée)

→ Ces canaux assurent des flux d’eau important dans les cellules de certains organes (ex. rein)

Si on a un dysfonctionnement des aquaporines, que se passe t-il ?

Un disfonctionnement de l’aquaporine AQP2 est à l’origine d’une forme de diabète insipide (diabète = le fait de trop uriner) :

• Production abondante d’urine diluée (jusqu’à 10 litres par jour) dû à un manque de réabsorption d’eau par des cellules dans les reins

Transport actif à travers la membrane ?

Le transport actif correspond au transport de substance à travers la membrane à l’encontre du gradient de concentration (entrée ou sortie)

→ Permet de créer des différences de concentration entre le cytoplasme et le milieu extracellulaire

Quelles sont les molécules concernées par le transport actif ?

Les molécules concernées par le transport actif sont les ions, sucres, acides aminés, nucléotides

Types de transport actif ?

Le transport actif est assuré par des transporteurs protéiques, de spécificité variable pour les substances à transporter. On a différents types de transport :

• uniport : transporte une seule substance

• symport : transporte simultanément deux substances dans la même direction

• antiport : transporte deux substances en directions opposées

→ ces transporteurs requièrent de l’énergie (souvent sous forme d’ATP) pour leur fonctionnement

Exemples de transporteurs actifs ?

• Pompe Na+/K+

• Co-transporteur Na+/glucose (SGLT)

Fonctionnement de la pompe Na+/K+ ?

Dans la plupart des cellules, [Na+] cytosol < extérieur, et [K+] cytosol > extérieur

→ Le pompage actif de Na+ hors de la cellule, et de K+ dans la cellule est assuré par un transporteur protéique antiport, la pompe à Na+/K+ = Transport actif requérant de l’énergie (fournie par l’ATP)

1. 3 Na+ se lient à la pompe côté cytosol

2. changement de conformation et liaison d’un ATP qui cède un phosphate P à la pompe

3. cette phosphorylation induit un autre changement de conformation, et les Na+ sont libérés à l’extérieur

4. dans cette conformation, la pompe a une forte affinité pour le K+, et en fixe deux côté extérieur

5. nouveau changement de conformation, et perte du P

6. retour à la conformation initiale, perte d’affinité pour K+ (libérés), de nouveaux Na+ prennent place

NB: il est estimé que chaque pompe peut transporter au moins 300 Na+ par seconde !

Fonctionnement du co-transporteur Na+/glucose (SGLT) ?

Le co-transporteur Na+/glucose est retrouvé dans les cellules de l’épithélium intestinal. C’est un co-transporteur symport → le transport passif de Na+ fournit l’énergie pour le transport actif du glucose (ne requiert donc pas d’ATP)

1. Deux Na+ se lient au transporteur côté extracellulaire (attirés par des charges – sur la protéine).

2. Changement de conformation du co-transporteur et liaison d’un glucose.

3. Le flux d’ions permet le passage du glucose, un nouveau changement de conformation s’ensuit.

4. Le glucose et les Na+ sont libérés dans le cytosol

On parle du transport au travers de la membrane interne mais comment se fait le transport dans le réseau membranaire interne (pour entrer ou sortir des organites…) ?

On trouve également des canaux et des transporteurs passifs ou actifs dans la membrane de différents organites à l’intérieur de la cellule

→ permet le contrôle de la répartition de solutés au sein des différents compartiments de la cellule

Exemple de canaux et transporteurs retrouvés dans la membrane des organites ?

• Canaux calcium (passif) à la membrane du REL

• Pompe à protons (actif) à la membrane des lysosomes

Quelles molécules sont concernées par le transport par endocytose et par exocytose ?

Les macromolécules (protéines, polysaccharides, et lipides) ainsi que les microorganismes et autres particules traversent la membrane plasmique via la formation de vésicules

Endocytose → c’est quoi et à quoi sert-elle ?

Endocytose permet l’entrée des grosses molécules dans la cellule.

→ importante pour la nutrition cellulaire, et l’incorporation de macromolécules dans des structures intracellulaires

→ également impliquée dans la destruction de microoganismes par des cellules spécialisées du système immunitaire

Exocytose → c’est quoi et à quoi sert-elle ?

Exocytose permet l’exportation hors de la cellule

→ impliquée dans la sécrétion d’hormones et d’autres substances

Types d’endocytose ?

• Phagocytose

• Pinocytose

• Endocytose via récepteur

Principe de la phagocytose ?

Phagocytose:

• pour les particules (cellules, microorganismes, fragments organiques)

→ La membrane entoure la particule, puis se referme pour créer une vésicule

Principe de la pinocytose ?

Pinocytose :

• pour les substances dissoutes

→ capture sous forme de gouttelettes de fluide par invagination de la membrane et formation d’une vésicule

Principe de l’endocytose via un récepteur ?

Endocytose via récepteur :

Pour des macromolécules spécifiques : ex. transferrine (transport du fer); lipoprotéines LDL (transport du cholestérol)

• Fixation préalable des macromolécules sur des récepteurs membranaires protéiques (“attirent“ ces molécules même si elles sont peu concentrées) → Les lipoprotéines LDL (qui transportent le cholestérol) viennent se fixer sur les récepteurs à LDL

• Cette endocytose se fait généralement dans une région de la membrane où le feuillet interne est recouvert d’une assise protéique particulière (formée de clathrine)

• invagination de la membrane et formation d’une vésicule enrobée de clathrine

Une fois endocytées, où vont les vésicules d’endocytose ?

La plupart des macromolécules et particules ingérées par endocytose finiront par être dégradées dans des lysosomes, et les composés qui en résultent pourront passer dans le cytosol

Certaines vésicules d’endocytose vont s’associer au Golgi, à partir duquel les molécules endocytées seront dirigées vers des compartiments spécifiques de la cellule

Exemple de maladie associées à l’endocytose ?

L’hypercholestérolémie familiale est une maladie due au dysfonctionnement du récepteur nécessaire à l’endocytose de la lipoprotéine LDL

→ le LDL chargé de cholestérol reste dans le sang → formation de dépôts de cholestérol dans différentes parties du corps (ex. paupières), ainsi que dans les artères (risques cardio-vasculaires)

Principe de l’exocytose ?

Les molécules destinées à la sécrétion sont incluses dans des vésicules dérivant du Golgi

• Ces vésicules de sécrétion migrent vers la membrane plasmique

• Elles fusionnent avec la membrane plasmique et libèrent leur contenu à l’éxtérieur

Quelles sont les molécules sécrétées par exocytose ?

molécules sécrétées par exocytose :

• hormones (transmission de messages à distance)

• neurotransmetteur (signalisation d’une cellule nerveuse à l’autre)

• composants de la matrice extracellulaire

• mucus

• autres composants et métabolites intra-cellulaires, …

Transport cellulaire: exemple des cellules de l’intestin → expliquer le fonctionnement ?

Flux de Na+ et de glucose, depuis la lumière intestinale vers le milieu intra-corporel :

Côté apical, le transporteur actif SGLT1 fait entrer en même temps 1 molécule de glucose et des ions Na+

Une fois à l'intérieur de la cellule, le glucose et le Na+ doivent rejoindre le milieu corporel (coté basolatéral) :

• Pour le glucose : Il sort de la cellule de deux manières. Soit de façon passive via le transporteur GLUT2 par diffusion facilitée, soit dans des vésicules par exocytose.

• Pour le sodium : La pompe Na+/K+ (qui consomme de l'énergie ATP) rejette activement le sodium hors de la cellule en échange d'ions potassium K+. C'est cette pompe qui maintient le taux de Na+ intracellulaire très bas, ce qui permet au SGLT1 de continuer à fonctionner

• À cause de ce déplacement massif de Na+ et de glucose vers le milieu intra-corporel, ce dernier devient très concentré (hypertonique) → Par phénomène d'osmose, l'eau présente dans l'intestin est diffusée vers le milieu intérieur

→ C'est le principe des solutions de réhydratation orale : Donner de l'eau pure ne suffit pas car elle est mal absorbée (pas de milieu super concentré donc pas de passage d’eau). En donnant un mélange d'eau, de sel (Na+) et de sucre (glucose), on force le fonctionnement du transporteur SGLT1, ce qui déclenche l'absorption massive et immédiate de l'eau par osmose