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Chapitre 6
La cellule

 

 

 

Membranes cellulaires

La membrane est un ensemble complexe de lipides, de protéines et de sucres qui régulent les échanges entre l'intérieur et l'extérieur de la cellule ou entre deux compartiments cellulaires. Les principaux constituants de la membrane sont les phospholipides, le cholestérol (chez les animaux) et les glycolipides (sur la face extérieure). Les phospholipides forment une double couche, les extrémités hydrophiles pointant vers l'extérieur et les chaînes hydrophobes pointant vers l'intérieur. On retrouve aussi des protéines intégrées ou en surface.

 

Membrane

Membrane cellulaire

(Wikipedia)

 

 

Le modèle de la mosaïque fluide

 

Le modèle de la mosaïque fluide est le modèle généralement accepté par les biologistes pour décrire les membranes cellulaires. On l'a qualifié de mosaïque puisque que la composition de la membrane est très hétérogène et fluide puisque les molécules se déplacent constamment.

 

 
 

Membrane de phospholipides

 

 

On y trouve une bicouche de phospholipides, des protéines de surface (sur la face interne ou externe), des protéines intégrées (dans la membrane) et des protéines transmembranaires (qui traversent la membrane et débouchent de chaque côté), du cholestérol (chez les animaux uniquement), des polysaccharides, des lipopolysaccharides, etc. Les protéines intégrées et transmembranaires comprennent des régions hydrophiles (à l'extérieur ou à l'intérieur) et des régions hydrophobes (intégrées dans la membrane lipidique). Les protéines de surface ne sont pas intégrées dans la membrane et peuvent facilement s'en détacher bien qu'elles soient attachées au cytosquelette.

 

 
 

Membrane

 

 

Propriétés des membranes

 

Les membranes cellulaires ont une perméabilité sélective qui leur permet de contrôler l'entrée et la sortie des différentes molécules et ions entre le cytoplasme et le milieu extérieur. Les membranes ne sont perméables qu'aux petites molécules hydrophobes (O2, N2, glycérol ...). Les autres molécules doivent avoir recours à des protéines transmembranaires qui régulent les échanges (canaux ioniques pour le transport d'ions par exemple). La membrane sert également à reconnaître des messagers telles les hormones grâce à des récepteurs à sa surface.

 

 

Le transport membranaire

 

Le transport membranaire est le passage d'une molécule ou d'un ion à travers une membrane plasmique. Il existe plusieurs types de transport membranaire que l'on regroupe en transport passif et en transport actif.

 

 

Transport passif

 

Le transport passif est un transport qui se fait sans nécessiter d'énergie de la part de la cellule grâce à la diffusion. Il en existe 3 types : la diffusion (simple ou facilitée), l'osmose et la filtration.

 

Animation sur

le transport passif

La diffusion
 

La diffusion se fait selon le gradient concentration (du côté plus concentré vers celui moins concentré) jusqu'à l'atteinte d'un équilibre. De façon générale, la vitesse de diffusion est inversement proportionnelle à la taille des molécules et les substances liposolubles diffusent plus rapidement à travers les membranes que les substances hydrosolubles.

 

 
Diffusion
 

Diffusion

(http://ridge.icu.ac.jp/biobk/6_4.jpg)

 

 
 

Diffusion

 

 
La diffusion simple
 

La diffusion simple est un phénomène physique passif qui n'intervient que pour les molécules qui peuvent traverser directement la bicouche de phospholipides. La molécule doit donc être hydrophobe ou être suffisamment petite si elle est hydrophile (l'éthanol par exemple) pour traverser la membrane. L'oxygène, le gaz carbonique, les vitamines A, D, E et K (liposolubles) et l'alcool utilisent ce mode de transport. Il s'agit d'un mécanisme non spécifique relativement lent.

 

 
Diffusion simple
 

Diffusion simple

 

 
La diffusion facilitée
 

Dans ce type de diffusion, la molécule ne traverse pas directement la membrane, mais doit utiliser une protéine transmembranaire de transport (canaux ioniques ou transporteurs). Le transport par les protéines de canal ionique est très spécifique, non saturable, extrêmement rapide et régulé, puisque les protéines de canal peuvent au besoin se fermer. Les transporteurs (perméases) peuvent changer de forme pour déplacer des molécules d'un côté à l'autre d'une membrane. Ce type de transport est saturable puisque, lorsque toutes les protéines de transport sont occupées, la vitesse ne peut plus augmenter. Le glucose, les acides aminés et les ions traversent les membranes par ce type de transport.

 

 
Diffusion facilitée
 

Canal ionique et transporteur (perméase)

 

 
 

Diffusion facilitée par un transporteur protéique

 

 
Protéine transmembranaire Protéine transmembranaire  

Représentations d'une protéine transmembranaire (la rhodopsine)

(http://www.gpcr.org/articles/thdlh/pictures/rh.gif)

(http://www.ks.uiuc.edu/Research/rhodopsin/rh_in_membrane_bigger.gif)

 

 
Osmose
 

L'osmose est un phénomène physique passif qui se produit seulement si les solutions sont séparées par une membrane semi-perméable. Elle est influencée par des solutés qui sont trop gros pour traverser la membrane. Seul le solvant (eau) peut alors traverser la membrane du côté hypotonique (le plus dilué) vers le côté hypertonique (le plus concentré) jusqu'à ce que les solutions soient isotoniques (de même concentration). Chez les cellules dotées d'une paroi (cellules végétales ou bactéries par exemple), les changements d'osmolarité sont moins dommageables que chez celles qui n'ont pas de paroi. Ainsi, lorsqu'un globule rouge se retrouve dans de l'eau distillée par exemple, l'eau a tendance à entrer dans la cellule (pour y diluer les solutés) jusqu'à ce que la cellule éclate. Au contraire, si un globule rouge est déposé dans de l'eau très salée, l'eau aura tendance à sortir de la cellule.

 

 
Osmose
 

Osmose

 

 
 

Osmose

 

 
Filtration
 

La filtration se produit à travers les parois des capillaires. C'est un mécanisme passif puisque l'énergie ne provient pas de la cellule, mais bien de la pression hydrostatique. La filtration du plasma sanguin a lieu dans les glomérules du rein. Le sang y arrive du coeur avec une pression importante. Les capillaires au niveau du glomérule sont semi-perméables et laissent sortir plusieurs molécules tout en conservant les cellules sanguines et les grosses molécules. Une bonne partie des molécules du filtrat seront récupérées par la suite étant donné qu'on filtre en moyenne 180 litres par jour et que l'élimination quotidienne d'urine est d'environ 1,5 litre.

 

 
Filtration
 

Filtration glomérulaire

(http://trc.ucdavis.edu/mjguinan/apc100/modules/Urinary/mammal/images/vasc13.jpg)

 

 

Transport actif

 

Le transport actif se fait contre le gradient de concentration (du côté moins concentré vers le côté plus concentré). Il est le résultat de l'activité d'une protéine (perméase) et nécessite de l'énergie (sous forme d'ATP). Ce sont surtout les ions Na+, K+ et Ca2+ qui utilisent ce mode de transport.

 

 
Transport actif
 
   

Le transport actif peut être simple ou couplé. Lorsqu'il est simple, une seule molécule à la fois passe à travers le transporteur. S'il est couplé, différentes molécules peuvent passer à la fois soit dans le même sens (symport) ou dans des sens opposés (antiport). La pompe à sodium-potassium qui maintient la différence de potentiel des neurones est un exemple de transport antiport.

 

 
 

Transport antiport

 

 
 

Transport symport

 

 
 

Pompe à sodium et à potassium

(Sélectionnez " lecture " à l'aide du bouton droit pour voir l'animation)

 

 
Endocytose
 

L'endocytose est un mécanisme de transport de molécules et de particules vers l'intérieur de la cellule. Une partie de la membrane entoure complètement une particule ou une grosse molécule et la fait pénétrer de l’extérieur vers l’intérieur en formant une vésicule. Selon le type de matériel absorbé, on distingue deux processus : la pinocytose (liquides), qui donne de petites vésicules (< 150 nm) et la phagocytose (solides), qui donne de grosses vésicules (> 250 nm) nommées phagosomes. Dans un troisième type d'endocytose dit par récepteurs interposés, l'endocytose est déclenchée par des molécules se fixant spécifiquement sur des récepteurs. Les vésicules fusionnent souvent avec d'autres vésicules contenant des enzymes digestives par exemple.

 

 
endocytose
Animation sur la phagocytose
 

Animations sur l'endocytose

 

 

L'endocytose est possible grâce à des protéines qui forment des treillis polygonaux nommés clathrines. Ces treillis entourent les vésicules d'endocytose et provoquent l'invagination.

 

 
clatrhine
 
clathrine
 

Formation de vésicules d'endocytose

(http://www.sp.uconn.edu/~bi107vc/images/cell/clathrin.jpg)

 

 
clathrine
 

Treillis polygonaux de clathrine

(http://www.ehlerslab.org/research/protein_trafficking/16.JPG)

 

 
Exocytose
 

L'exocytose est un mécanisme par lequel une cellule libère des molécules contenues dans des vésicules de transport ou de sécrétion qui fusionnent avec la membrane plasmique et sortent dans le milieu extracellulaire. Les neurotransmetteurs, les hormones et le mucus sont expulsés des cellules par ce mode de transport. L'exocytose permet de retourner les parties de membrane perdues lors de l'endocytose.

 

 
Exocytose
 

Exocytose