Transports membranaires
I.
Transports moléculaires
La partie centrale de la bicouche lipidique est
hydrophobe. Cette hydrophobicité empêche la diffusion des
substances polaires au travers de la membrane plasmique. La
cellule a donc besoin de systèmes de transport pour faire
pénétrer les nutriments, évacuer les déchets et régler la
concentration ionique intracellulaire.
Concentration Intracellulaire
Concentration Extracellulaire
(mM)
(mM)
Na+
5-15 145
K+
140
5
Ca++
10-2 1-2
(H+): pH
7,2
7,4
Cl-
5-15
110
II.
Diffusion
transmembranaire simple au travers de la bicouche
Ce transport ne nécessite pas d'énergie
(transport passif) ; il s'agit d'une diffusion simple des
molécules au travers de la couche lipidique selon un gradient
de concentration.
A.
Perméabilité de la membrane plasmique
à l'eau
L'eau (18 daltons) est une molécule polaire et peu soluble
dans l'huile. Cependant elle passe rapidement au travers de la
bicouche grâce à sa petite taille. Dans certains tissus
(vessie, tube rénal, colon), il y a des canaux à eau (aquaporines).
La membrane plasmique est semi-perméable : elle laisse passer
librement les molécules d’eau mais pas les plus grosses
molécules.
Rappel biophysique sur la pression
osmotique :
Une pression osmotique se créé entre deux compartiments
lorsqu'ils sont séparés par une membrane semi-perméable et
qu'ils contiennent un soluté à une concentration différente.
- exemple : si une membrane est perméable à l'eau mais pas au
glucose , l'eau diffusera du compartiment ayant la
concentration en glucose la plus faible vers le compartiment
ayant la concentration la plus forte ; tout se passe comme si
on exerçait une pression sur le compartiment le plus dilué:
c'est la pression osmotique . L'eau se déplace du milieu
hypotonique vers le milieu hypertonique ; si les deux
compartiments sont isotoniques, la pression osmotique est
nulle et il n'y a pas de déplacement d'eau.
Importance des phénomènes osmotiques en
physiologie cellulaire :
La membrane plasmique se comporte comme une membrane
semi-perméable ou mieux à perméabilité sélective : elle laisse
passer facilement l'eau mais pas ou peu les ions et les
molécules hydrosolubles dissous. La diffusion de l'eau au
travers de la membrane est passive car elle ne nécessite pas
d'énergie.
- Importance des phénomènes osmotiques au niveau du globule
rouge et de la cellule cérébrale :
*Les cellules humaines vivent en isotonie avec le plasma grâce
à la composition constante de celui-ci en protéines et en
sodium. L'hypotonie ou l'hypertonie du plasma dues à certaines
circonstances pathologiques sont source de perturbation
cellulaire : déshydratation ou oedème cellulaire, hémolyse.
*Les cellules qui vivent en milieu hypotonique ( algues ou
bactéries ou plantes d'eau douce) ont une paroi rigide qui
leur permet de résister à la pression osmotique. L'amibe et
les protozoaires d'eau douce ont une vacuole contractile qui
pompe l'eau en excès dans le cytoplasme et qui l’excrète à
l'extérieur de la cellule .
*L'eau de mer est pratiquement isotonique aux organismes
marins.
B. Perméabilité de la
membrane aux petites molécules non chargées
* Les petites molécules non polaires, non chargées pénètrent
très rapidement à travers la membrane plasmique (ex. : 02, N2,
CO, anesthésiques volatiles : par exemple l'halothane induit
une anesthésie très rapide car il pénètre rapidement dans la
membrane des cellules nerveuses grâce à sa lipophilie). La
lipophilie d’un produit est déterminée par son coefficient de
partage K= C lipide
ex: le diéthylurée (K= 0,01) diffuse 50 fois mieux dans la
membrane que l’urée (K= 0,0002).
La membrane cellulaire est 100 à 1000 fois plus visqueuse que
l’eau: la diffusion d’une molécule au travers de la membrane
est moins rapide que dans l’eau.
* Les petites molécules polaires non chargées pénètrent plus
lentement surtout si leur poids moléculaire est élevé : le CO2
(44 d), l'éthanol (46 d) et l'urée (60 d) pénètrent plus
rapidement que le glycérol (92 d). Le glucose (180 d) pénètre
très difficilement par diffusion passive, il devra être pris
en charge par des transporteurs spécifiques .
C.
Perméabilité aux ions
La membrane plasmique est extrêmement imperméable aux ions ;
ceci est du à la charge et à l'hydratation des ions. Il passe
1 ion Na+ au travers de la membrane quand il passe 109
molécules d'eau.
II. Transports transmembranaires médiés par des protéines
transmembranaires
De nombreuses substances indispensables à la vie de la cellule
(ions, oses, acides aminés, nucléotides...) sont incapables de
pénétrer rapidement dans la cellule par diffusion passive.
Leur pénétration intracellulaire nécessite des transporteurs :
les protéines de transport membranaire . Chaque protéine
transporteuse est spécifique d'une seule classe de molécules
ou d'une seule molécule: c'est la stéréochimie du site de
fixation du substrat sur le transporteur qui est responsable
de la spécificité. Par exemple, le transporteur du D-glucose
(hexose physiologique ) ne peut pas transporter le L-glucose
(isomère optique incapable d'être métabolisé par la cellule).
Dans certaines maladie génétique, il y a une mutation d’une
protéine transporteuse:
ex: la cystinurie: les individus atteints ne peuvent
réabsorber la cystine (un acide aminé soufré) au niveau du
tubule rénal ---> création de lithiases intrarénales et dans
les voies excrétrices
Certaines protéines véhiculent une seule molécule d'un côté de
la membrane à l'autre : c'est un système uniport. D'autres
protéines assurent le transport d'une molécule grâce à un
couplage avec le transport d'une autre molécule: si les deux
molécules sont transportées dans le même sens, il s'agit d'un
système symport ; si les deux molécules sont transportées dans
un sens opposé, il s'agit d'un système antiport.
Ex 1: le transport des glucides dans les bactéries s'effectue
par un symport avec le proton H+; l'énergie du transport est
fournie par le gradient de protons.
Ex 2: la Na/K ATPase fait sortir le Na+ en échange de la
rentrée d'un K+ ; il s'agit d'un antiport .
Les protéines de transport transmembranaire peuvent être :
* des canaux ioniques: ces protéines forment un canal
hydrophile transmembranaire qui permet le passage des ions
selon un gradient électrochimique. Ce type de transport ne
nécessite pas d'énergie. Ces canaux peuvent être en
conformation ouverte ou fermée. La durée d'ouverture d'un
canal ionique est très brève ( quelques centaines de milliers
d'atomes en quelques millisecondes).
* des protéines porteuses (perméases) se lient de façon
spécifique à une molécule et la font passer de l'autre côté de
la membrane ; ceci réalise le processus de diffusion
facilitée. La diffusion se fait dans le sens du gradient
électrochimique et ne requiert pas d'énergie propre (transport
passif). Les protéines de transport traversent une ou
plusieurs fois la bicouche lipidique et forment des pertuis
hydrophiles qui évitent le contact entre les molécules
polaires et la partie hydrophobe de la bicouche.
Le transport n'est pas assuré par le flip-flop des molécules
protéiques mais plutôt grâce à un changement de conformation
du transporteur ( modèle ping-pong où la protéine oscille
entre deux conformations stéréochimiques) . C'est un transport
lent mais prolongé dans le temps (quelques milliers de
molécules par seconde)
* des protéines responsables d'un transport actif: ces
protéines fonctionnent comme des pompes qui entraînent
spécifiquement une molécule contre un gradient
électrochimique. Ce processus nécessite de l'énergie fournie
par la dissociation de l'ATP en ADP et Pi .
Ex 1: la glycoprotéine P-180 est
une protéine membranaire des cellules cancéreuses résistantes;
cette protéine expulse certains médicaments anticancéreux hors
de la cellule en consommant de l'énergie fournie par l'ATP.
Elle traverse 14 fois la membrane en définissant des canaux
par où passe le médicament . Cette protéine est trouvée à
l’état physiologique dans les bordures en brosse des cellules
intestinales ou rénales: elle permet de rejeter à l’extérieur
des substances génotoxiques mutagènes. Elle est paradoxalement
détournée par les cellules cancéreuses pour se protéger des
médicaments antinéoplasiques.
Ex 2: Le canal CFTR (cystic
fibrosis transporting receptor) est un canal pour les ions
chlorures, appartenant comme la P-180 à la superfamille des
transporteurs membranaires (famille ABC: ATP binding
cassette). Sa mutation est responsable de la mucoviscidose en
empêchant la protéine d'accéder à la membrane plasmique. La
conséquence est un défaut d'hydratation du mucus qui
s'accumule dans les bronches et le pancréas d'où une
insuffisance respiratoire progressive et un défaut
d'assimilation digestive des graisses.
Ex 3: le transport du glucose
fait appel selon les cellules à des transporteurs actifs ou
passifs qui peuvent coopérer:
- La cellule intestinale doit puiser le glucose dans le
tube digestif où la concentration peut être faible: elle doit
utiliser un système de transport actif. Le principe est
identique à celui des acides aminés: c’est un cotransport avec
le gradient sodique comme source d’énergie. La vitesse
d’absorption du glucose dépend de la concentration de sodium
dans la lumière intestinale.
L’absorption intestinale du glucose est permise par la
polarisation de la cellule qui maintient une distribution
asymétrique des protéines membranaires; des jonctions étanches
séparent les domaines membranaires apical et basolatéral,
empêchent la diffusion latérale des protéines transporteuses
et maintiennent ainsi la polarisation de la cellule
intestinale :
- le symport glucose-Na est localisé dans la membrane apicale
de l’entérocyte, face à la lumière intestinale ; il permet
l’entrée d’une molécule de glucose couplée à un ion Na+.
- la Na/K ATPase est localisée dans la membrane basolatérale
de la cellule; elle expulse le Na pour maintenir un taux
constant de Na+ intracellulaire (maintien d’un gradient
sodique entre la lumière intestinale et l’intérieur de la
cellule ) ; elle permet l’absorption du Na par l’organisme .
- une protéine transporteuse de la membrane basolatérale
permet le transport du glucose de la cellule vers le milieu
interstitiel et le sang par diffusion facilitée.
- Les autres cellules de l’organisme puisent le glucose
dans le plasma ou dans le liquide interstitiel où la
concentration est élevée (0,8 - 1 g/l) et constante. L’entrée
du glucose se fera par des perméases assurant une diffusion
facilitée selon le gradient de concentration. Ce sont des
uniports appartenant à une même famille de protéines
traversant 12 fois la membrane (GLUT 1, 2, 3 ...). Dans la
cellule le glucose est immédiatement phosphorylé en
glucose-6-phosphate par une glucokinase: ceci permet de
conserver le gradient de glucose et empêche le G-6-P de
rétrodiffuser vers l’extérieur. La perméase au glucose de
l’érythrocyte a été clonée. Il s’agit d’une protéine qui
traverse 12 fois la membrane (12 hélices æ). L’affinité de la
perméase pour le D- glucose est supérieure à celle pour le
mannose ou le galactose. Il n’y a pas d’affinité entre la
perméase et le L-glucose. La perméase au glucose à pu être
étudiée en l'isolant de la membrane plasmique par des
détergents puis en l'incorporant dans des liposomes
artificiels: la présence de la protéine est nécessaire pour le
passage transmembranaire du glucose
IV.
Modélisation d'un phénomène de transport
A la différence de la diffusion membranaire simple, qui n'est
pas saturable, un transport assuré par des protéines
(diffusion facilitée ou transport actif ) est saturable s'il y
a un excès de substrat.
Ex : la réabsorbtion du glucose
au niveau de la cellule du tubule rénal. La vitesse d’absorbtion
est une fonction exponentielle variant selon la concentration
du glucose. Ce type de fonction s’explique si on admet qu’il
existe un nombre fixe de transporteurs à affinité variable qui
sont recrutés à la demande. Le Km est la concentration de
glucose qui correspond à la vitesse demi-maximale de
réabsorption
V.
Un
exemple de transporteur actif : la Na/K ATPase
Toutes les cellules possèdent un potentiel électrique de
membrane, plus ou moins marqué, qui représente la différence
de charge électrique entre l'intérieur et l'extérieur de la
cellule . L'intérieur de la cellule est chargé négativement
par rapport à l'extérieur.
Ce potentiel de membrane (- 75 mV) a été mis en évidence pour
la première fois dans l'axone géant du calmar grâce au
diamètre de cette cellule (1 mm qui permet l'insertion de
microélectrodes. Le potentiel de membrane existe dans toutes
les cellules vivantes. Les modifications du potentiel de
membrane sont à l'origine de l'influx nerveux ou de la
contraction des cellules musculaires.
La Na/K ATPase est une glycoprotéine transporteuse
transmembranaire de type tétramère 2ß2 qui déborde sur les
deux faces de la membrane plasmique. La Na/k ATPase expulse 3
Na+ et fait rentrer 2 K+ en consommant de l'énergie fournie
par une molécule d'ATP. Il existe un canal de fuite du K+
indépendant de la Na/K ATPase alors que la membrane est
imperméable dans l'autre sens au Na+ ; il en résulte un excès
de charges positives à l'extérieur de la cellule et donc une
électronégativité relative de l'intérieur de la cellule.
La Na/K ATPase est présente dans toutes les cellules animales
; le maintien du gradient électrique consomme au moins 1/3 des
besoins en énergie de la cellule. La NaK ATPase est
phosphorylée et déphosphorylée de manière réversible par l'ATP.
Si on traite les cellules par le dinitrophénol, un poison de
la mitochondrie, les gradients disparaissent, le potentiel
transmembranaire diminue et la cellule meurt car le milieu
intérieur intracellulaire ne permet plus le fonctionnement
normal des enzymes. Dans les cellules nerveuses qui se
dépolarisent et se repolarisent constamment , cette pompe
consomme 70 % de l'énergie cellulaire. L'ouabaïne (un
médicament tonicardiaque) inhibe la Na/K ATP-ase en se fixant
au site de liaison du K+. La diminution de la polarisation
entraînée par l'entrée de sodium permet l'ouverture d'un canal
calcique, voltage dépendant, qui facilite la contraction de la
cellule cardiaque.
Rôles de la Na K+ ATPase:
* Elle est “électrogène”: elle contribue à la formation
de la différence de potentiel transmembranaire. La membrane
plasmique est un condensateur puissant: 200 000 V/cm.
* Elle règle le volume cellulaire :
La Na/ K ATPase expulse plus ou moins rapidement le sodium. Si
le sodium s’accumule dans la cellule, le volume d’eau
intracellulaire augmente pour compenser l’hyperosmolarité
intracellulaire. On peut faire éclater des cellules animales
en les traitant par l’ouabaïne .
* Elle maintient un gradient de Na entre l’extérieur et
l’intérieur de la cellule: ce gradient sera utilisé comme
source d’énergie pour le transport intracellulaire de
certaines substances (glucose, acides aminés ...).
* Transport des acides aminés et du glucose
C’est un transport couplé avec le Na+ ( cotransport ). Le Na+
et l’acide aminé se fixent sur 2 sites du transporteur ; ceci
induit une modification de la conformation du transporteur ;
le sodium et l’acide aminé sont libérés ensembles à
l’intérieur de la cellule.
Le moteur du transport est constitué par le gradient de
concentration de Na entre l’intérieur et l’extérieur de la
cellule. Ce gradient est entretenu par la Na/K+ ATPase. Il y a
9 transporteurs différents pour les 20 acides aminés
indispensables à la synthèse des protéines .
VI.
La Ca2+ATPase
Cette protéine permet de maintenir une concentration
cytosolique faible de calcium. Le gradient de Ca++ entre
l’intérieur (10-6 à 10-7 M) et l’extérieur de la cellule
(10-3 M) est très élevé dans la cellule au repos. La Ca-ATPase
est logée au niveau de la membrane plasmique ou dans la
membrane du reticulum lisse (sarcoplasmique) du muscle strié (CSC:
Compartiment Séquestrant le Calcium contenant la
calséquestrine, protéine fixant le Ca avec une haute
affinité). La Ca-ATPase transporte 2 Ca2+ pour chaque molécule
d’ATP hydrolysée. La présence de Mg 2+ qui se lie au site
ATPase est indispensable au bon fonctionnement de la Ca-ATPase.
Dans la cellule activée (ex contraction musculaire), le Ca est
libéré, se fixe transitoirement à la troponine, ce qui
déclenche l’interaction actine-myosine, puis est repompé par
la Ca-ATPase lors de la relaxation musculaire.
VII.
Fonctionnement
des canaux ioniques transmembranaires
Les canaux ioniques peuvent être dans une
configuration ouverte ou fermée. L’ouverture des canaux peut
être réglée par un ligand ( récepteur de l’acétylcholine) ou
par la tension (ou voltage). Canaux régulés par la tension et
canaux régulés par un ligand sont successivement mis en oeuvre
au cours d’un processus physiologique complexe, la jonction
neuromusculaire.
La transmission de l’influx au niveau de la jonction
neuromusculaire s’effectue en plusieurs étapes.
1. Le potentiel de repos d’un nerf
est du à la différence de potentiel entre l’extérieur de la
membrane plasmique où règne un excès de charges positives et
l’intérieur de la cellule où se trouve un excès de charges
négatives. Ce gradient électrique est provoqué par l’action
conjointe de la Na/K ATPase et d’un canal de fuite du
potassium. La membrane plasmique forme donc un condensateur
aux bornes duquel la DDP est intense (- 70 mV/3,5 nm = 200 000
V/cm). L’influx nerveux est une onde de
dépolarisation qui diminue ou annule le potentiel
électronégatif de la cellule; cette onde de dépolarisation se
propage de proche en proche du corps neuronal vers l’extrémité
axonale. Cette dépolarisation ouvre de façon brève des canaux
sodiques voltage-dépendant.
Au niveau de l’extrémité synaptique, un canal calcique
voltage-dépendant est ouvert lors de l’arrivée de l’influx .
Comme il existe un gradient de Ca++ entre le milieu
extracellulaire (10-3 M) et le cytosol (10-6 M) , l’ouverture
du canal calcique provoque une entrée massive du Ca++ dans la
terminaison axonale; cet afflux de Ca++ provoque une fusion
des vacuoles d’acétylcholine avec la membrane de l’extrémité
axonale ; le neuromédiateur est libéré dans l’espace
synaptique.
2. L’acétylcholine se fixe à son
récepteur spécifique situé au niveau de la membrane musculaire
(canal réglé par un ligand). Par sa fixation, le
neuromédiateur provoque une modification de la conformation du
canal qui devient brusquement perméable au Na; le sodium
pénètre à l’intérieur de la cellule musculaire en suivant son
gradient électrochimique; la cellule musculaire commence à se
dépolariser. Le récepteur de l’acétylcholine a été isolé de
l’organe électrique du poisson torpille. Un inhibiteur
spécifique du récepteur a été extrait d’un venin de serpent:
la bungarotoxine. Le curare est un autre inhibiteur de ce
récepteur. Le récepteur a été séquencé: c’est un pentamère. La fixation de l’acétylcholine modifie
transitoirement la conformation du récepteur et autorise la
pénétration du Na. Très rapidement après son ouverture, le
récepteur se relaxe et se referme; cette ouverture très brève
du récepteur, qui s’effectue même si l’acétylcholine reste
fixée, est un mécanisme de sécurité qui empêche une
pénétration trop massive du Na dans la cellule.
L’acétylcholine est relarguée dans la fente synaptique; elle
est recaptée par les terminaisons nerveuses ou détruite par l’acétylcholine-estérase
(enzyme inhibée par la prostigmine).
3. La dépolarisation membranaire
initiée par l’ouverture du canal-récepteur à l’acétylcholine
provoque l’ouverture d’autres canaux sodiques adjacents
sensibles au voltage; l’afflux sodique intracellulaire
augmente brusquement grâce à ce mécanisme d’amplification.
Ceci donne naissance à une onde de dépolarisation de la
cellule musculaire: le potentiel d’action.
4. Le potentiel d’action se
propage à l’ensemble de la cellule musculaire, en particulier
à un compartiment vésiculaire spécialisé issu du reticulum
sarcoplasmique qui contient beaucoup de Ca++ en réserve
(compartiment subcellulaire séquestrant le calcium: CSC ) .
Des canaux transporteurs du Ca sont situés dans la membrane du
CSC ; l’ouverture de ces canaux est réglée par la tension;
quand la membrane du CSC est dépolarisée par le potentiel
d’action, les canaux s’ouvrent et laissent échapper le calcium
au niveau des fibrilles musculaires. Le calcium permet la
liaison de l’actine et de la myosine et provoque la
contraction des myofibrilles.
Les récepteurs voltage- ou ligand-dépendants sont étudiés
grâce à la technique du Patch Clamp. Cette technique permet
d’isoler une petite fraction de membrane cellulaire à
l’extrémité d’une fine pipette en verre ; la membrane qui
contient un ou quelques récepteurs peut être baignée au niveau
de sa face interne ou externe par des milieux de composition
déterminée par l’éxpérimentateur; ce dispositif expérimental
permet de recueillir des signaux électriques provoqués par
l’ouverture ou la fermeture des canaux membranaires sous
l’influence d’un ligand (ou d’un médicament) ou de la
variation du voltage
VIII.
Régulation du pH intracellulaire par les protéines
membranaires
Le pH intracellulaire est très strictement
stable à 7,2. Il peut augmenter à 7,4 quand la cellule reçoit
un signal de prolifération (facteur de croissance) ou
lorsqu’un oeuf est fécondé.
Plusieurs systèmes biochimiques permettent la stabilité du pH
intracellulaire:
* les ions H+ sont fournis par le métabolisme cellulaire (ex
acide lactique résultant du métabolisme du glucose) et par la
dissociation du CO2: CO2 + H20 <=> H2CO3 <=> H+ et HC03-.
* les ions H+ sont tamponnés par les protéines (hémoglobine,
....), les phosphates et les bicarbonates cellulaires.
* L’excrétion des ions H+ est assurée par l’antiport Na/H.
L’activité de ce transporteur est régulée par la liaison des
H+ à la partie intracytoplasmique de la protéine. Le Na + qui
est entré en échange de H+ est expulsé par la Na/K ATPase.
*L’échangeur Cl- /HCO3- est également important pour éviter
l’alcalinisation du milieu intracellulaire; cet échangeur est
nommé bande III dans le globule rouge mais il existe dans
toutes les cellules.
* Un autre transporteur combine les deux mécanismes (échangeur
Na+/HCO3- ): il fait entrer Na+
et HCO3- en échange d’une sortie de H+ et de Cl-. Cet
échangeur est régulé par la disponibilité en Cl-. Il a
l’avantage de neutraliser 2 protons : un qui sort, un qui se
combine avec HCO3-.
Dans les cellules pariétales de l’estomac, il existe une H+/
K+ ATPase, de structure proche de la Na/K ATPase qui assure
l’expulsion de protons dans la lumière gastrique et acidifie
le contenu jusqu’à un pH de 1 (rôle dans la digestion des
protéines et la stérilisation du bol alimentaire avant son
transit dans l’intestin).
Dans la paroi des lysosomes se trouve une H+/K ATPase qui
permet l’acidification de ce compartiment cellulaire (pH 4-5).
A.
Transports des substances
macromoléculaires
Les cellules peuvent capter les substances macromoléculaires
par endocytose :
- soit par pinocytose (particules < 150 nm non visibles en
microscopie optique, macromolécules, protéines ): la cellule
“boit“
- soit par phagocytose ( particules visibles, virus,
bactéries): la cellule “mange”
Les cellules peuvent également excréter des substances vers
l’extérieur : exocytose (protéines, hormones).
A.1. la pinocytose
La pinocytose résulte de l’invagination de la membrane
plasmique , avec formation de vésicules qui se séparent
secondairement d’elle, se rassemblent en vésicules plus
grosses et migrent dans le cytosol.
A.2. L’amibe ( protozoaire ) mise en présence de
substances inductrices chargées positivement (acides aminés,
protéines, virus ) migre dans le sens du gradient de
concentration de ces substances . L’animal développe des
pseudopodes qui se creusent d’un microtube où pénètrent les
substances nutritives ; par la suite , le tube se ferme et se
fragmente en vésicules ; les vésicules fusionneront avec des
lysosomes .
- la paramécie ( autre protozoaire) possède une région
spécialisée où se forment les vésicules de pinocytose : la
région buccale .
A.3. le fibroblaste (cellule du tissu conjonctif) est
capable de se déplacer dans une boîte de culture. Au cours de
cette migration, on observe la formation de vésicules de
pinocytose . Les vésicules se forment à l’arrière de la
cellule en mouvement et se déplacent à travers le cytosol
grâce aux protéines du cytosquelette (tubuline) ; elles
fusionnent avec la membrane plasmique à l’avant de la cellule
; on assiste donc à un recyclage membranaire permanent qui
économise la synthèse de nouvelle membrane par le réticulum.
Ce phénomène de recyclage membranaire peut être visualisé par
des microbilles de carbone déposées à un endroit de la
membrane cellulaire; les billes se déplacent comme sur un
tapis roulant de l’avant vers l’arrière de la cellule.
En quelques heures, une cellule peut ingérer l’équivalent de
son volume par le biais de la pinocytose ( 4 heures pour un
macrophage ).
A.4.
Les puits recouverts
Les puits recouverts (coated pits) sont des zones spécialisées
(2 % de la surface de la membrane plasmique) où s’effectue
l’essentiel de l’activité de pinocytose. On peut observer la
formation de 2 500 vésicules de pinocytose par minute au
niveau des puits recouverts.
Les puits recouverts sont visibles en microscopie électronique
sous la forme de petites dépressions membranaires doublées, à
l’intérieur de la cellule, par un matériel dense aux électrons
. Des récepteurs protéiques membranaires sont insérés dans la
membrane des puits recouverts, ces récepteurs concentrent et
captent les substances du milieu extracellulaire qui doivent
être endocytées.
La protéine responsable de la formation de la vésicule de
pinocytose a été caractérisée : la clathrine ( PM = 180 000 ).
Chaque molécule de clathrine ressemble à une hélice à 3
branches (triskelions) , mise en évidence grâce à la
microscopie électronique avec ombrage. Les molécules de
clathrine se lient entre elles pour former une cage
polyédrique qui enferme la membrane de la vésicule (vésicules
hérissées). L'adaptine lie le récepteur à la clathrine. La
dynamine (protéine à activité GTPasique) coupe la vésicule du
reste de la membrane plasmique. Une fois la vésicule formée et
internalisée, les molécules de clathrine se dissocient et sont
recyclées sous la membrane des puits couverts.
La vésicule lisse (endosome) est dirigée vers sa destination
(le plus souvent un lysosome). Les processus d’initiation et
de destruction de la cage de clathrine sont encore mal connus.
Il existe des protéines déstabilisantes de la clathrine qui
appartiennent à la famille des Heat Shock Proteins (HSP) et
qui ont une activité ATPasique.
Exemple du récepteur aux lipoprotéines :
Les LDL (light density lipoprotein) sont la forme circulante
du cholestérol dans le plasma . Ce sont des ensembles
macromoléculaires (20-25 nm) formés par :
- une monocouche de phospholipides externes où est intercalé
du cholestérol libre
- un centre contenant du cholestérol estérifié par des acides
gras
- des protéines qui assurent l’organisation de l’agrégat
moléculaire et qui servent de signal à la surface de la LDL (apo-B).
La protéine se fixe au récepteur des LDL situé sur les puits
recouverts (le récepteur a une extrémité extracytoplasmique
pour fixer la LDL et une partie hydrophobe qui traverse la
membrane et une extrémité arrimant le récepteur à la clathrine
par l'intermédiaire de l'adaptine AP-2). La fixation de la LDL
induit la polymérisation de la clathrine et donc la formation
d’une vésicule de pinocytose; la LDL est internalisée. La
vésicule se sépare de la clathrine qui est recyclée vers le
puits recouvert. La vésicule libérée fusionne avec une
vésicule acidifiée (pH 5) par une H+/ATPase où le récepteur se
sépare de la LDL (CURL: Compartment of Uncoupling of Receptor
and Ligand); les récepteurs de LDL sont recyclés vers la
membrane plasmique du puits recouvert; la lipoprotéine est
dégradée par les enzymes lysosomiales en cholestérol et en
acides aminés.
Chez certaines personnes, il y a absence ou anomalie du
fonctionnement des récepteurs aux LDL (absence de site de
liaison au puits recouverts) . C'est souvent une mutation dans
une séquence Asp-Pro-X-Tyr qui est en cause; cette séquence
est cruciale pour l'enfouissement de la vésicule.
La conséquence de ces défauts génétiques est
l’hypercholestérolémie familiale qui entraîne un excès de
cholestérol circulant; ce cholestérol trop abondant va
s’accumuler dans les parois artérielles et provoquer
l’athérome avec ses redoutables conséquences : infarctus du
myocarde, accident vasculaire cérébral, artérite des membres
inférieurs. Les individus homozygotes meurent en bas age de
maladies cardiovasculaires; les hétérozygotes (1 homme sur
500) ont 50 % de récepteurs et présentent des complications
plus tardives. Il y a plusieurs types de mutations pathogènes
du récepteur: certaines mutations ne gênent pas l’endocytose
mais empêche le découplage de la LDL dans le compartiment
acide du CURL, dans certains cas le récepteur est incapable de
s’attacher à la membrane plasmique et il est sécrété, dans
d’autres cas, le récepteur ne se localise pas au niveau des
puits recouverts et il diffuse dans toute la membrane
plasmique.
Exemple du récepteur de la transferrine:
Le fer ionisé, toxique, est transporté dans le plasma par une
grosse protéine, la transferrine. Les cellules possèdent à
leur surface un récepteur de la transferrine qui fonctionne
sur le modèle précédent: intervention de la clathrine,
découplage dans le CURL, recyclage du récepteur à la surface
des puits recouverts et de la transferrine et libération
intracellulaire du fer qui est repris en charge par des
protéines porteuses intracellulaires.
Vésiculation sans intervention de la
clathrine:
Dans certains cas, la formation des vésicules de pinocytose ne
se fait pas par l’intermédiaire de la clathrine; le mécanisme
moléculaire n’est pas encore bien connu. C’est le cas des
vésicules de transcytose qui assurent le transport des
anticorps dans la cellule intestinale du nouveau-né. Chez le
nouveau-né, la muqueuse intestinale capte les anticorps
présents dans le lait grâce à un récepteur du fragment Fc des
immunoglobulines. L'anticorps est internalisé dans une
vésicule et traverse la cellule intestinale, sans dégradation,
de la membrane apicale vers la membrane basale et les
vaisseaux sanguins . Ce phénomène de transcytose des anticorps
disparaît quand l’enfant grandit; les cellules intestinales
deviennent presque totalement imperméables aux protéines .
IX. la phagocytose
Alors que la pinocytose existe dans toutes les cellules , la
phagocytose n’existe que dans les cellules spécialisées:
macrophages et polynucléaires.
Ces cellules émettent des pseudopodes qui englobent la proie
(bactéries, virus, cellules vieillies, altérées ou cancéreuses
) ; il y a formation d’une vacuole de phagocytose qui
fusionnera avec les lysosomes. Le contenu de la vacuole sera
partiellement ou totalement dégradé. Les pseudopodes se
forment grâce à des modifications locales du cytosquelette où
interviennent une interaction actine-myosine et la tubuline:
la phagocytose est inhibée par les poisons de l’actine (cytochalasine)
et ceux de la tubuline (colchicine, vincristine). Applications
thérapeutiques: le traitement de la goutte et des purpuras
thrombopéniques.
La phagocytose s’opère comme la pinocytose grâce à des
récepteurs membranaires .
Le macrophage est une cellule du système immunitaire
spécialisée dans la phagocytose. Le macrophage est attiré par
des substances du métabolisme ou de la structure bactérienne (lipopolysacharides):
c’est le chimiotactisme. Dans la membrane du macrophage, par
exemple , il y a des récepteurs pour le fragment Fc des
immunoglobulines (anticorps); une cellule totalement
recouverte d’anticorps sera phagocytée alors qu’une cellule
partiellement couverte ne sera pas ingérée. La facilitation de
la phagocytose du macrophage provoquée par les anticorps se
nomme opsonisation. Le récepteur du Fc a été cloné; il s’agit
d’une protéine de 231 AA, avec une partie intramembranaire
hydrophobe et un segment extracytoplasmique où se trouve le
site de reconnaissance pour Fc. Cette molécule appartient à la
superfamille des immunoglobulines car certaines des séquences
du récepteur sont semblables aux sites de reconnaissance des
anticorps pour les antigènes. Le récepteur de Fc est couplé à
un canal sodium; la fixation d’une extrémité Fc d’un anticorps
provoque une entrée de Na, provoquant elle même une
dépolarisation membranaire et une activation cellulaire
(phagocytose, production lysosomiale de H2O2). La phagocytose
est un processus qui demande de l’énergie (100 molécules d’ATP
par particule ingérée).
La pénétration intracellulaire de certains virus (VIH) se fait
par phagocytose grâce à des récepteurs membranaires (CD4) et à
une internalisation par des vésicules à clathrine.
X.
l’ exocytose
L’exocytose se fait par fusion de la membrane des vésicules
intracellulaires avec la membrane plasmique .
La plupart des cellules excrètent des macromolécules vers
l’extérieur. Les vésicules proviennent du reticulum ou du
Golgi. Les vésicules s’accolent à la membrane plasmique et des
protéines facilitent la fusion entre les feuillets
membranaires.
Les vésicules sont excrétées :
- soit en continu ( lors d’une sécrétion permanente : ex la
salive )
- soit lors d’une stimulation cellulaire :
ex. libération d’acétylcholine à la jonction neuromusculaire
déclenchée par l’irruption de Ca++ dans l’extrémité
synaptique.
ex. : libération brutale d’histamine par le mastocyte
lorsqu’il y a fixation d’un antigène sur les immunoglobulines
E ( Ig E ) fixées à sa surface : c’est mécanisme du choc
anaphylactique (ou allergique) .
L’excrétion de particules virales se fait par les mêmes voies
que l’exocytose (bourgeonnement viral); des protéines de
fusion facilitent cette excrétion (virus de Sendaï).
Les déchets cellulaires non totalement dégradés par les
lysosomes pourront être excrétés par exocytose (défécation
cellulaire) ou s’accumuler dans les macrophages (silice,
amiante, goudrons de la fumée de cigarette).
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