La perméabilité membranaire

A l'échelle cellulaire, toute cellule vivante se développe, se reproduit et assure une activité métabolique déterminée. De ce fait, elle est amenée à importer des matières premières et à éliminer des produits terminaux de son activité. Ceci doit se faire à travers la membrane plasmique qui entoure son cytoplasme.
A l'échelle d'un organisme : Les échanges entre cellule et milieu sont nécessaires à de nombreux processus physiologiques à savoir : L'absorption intestinale ; Les échanges des gaz respiratoires ; L'excrétion urinaire ; les phénomènes électriques (cellule musculaire et nerveuse)

I. Structure de la membrane plasmique

1. Structure au microscope électronique

L'observation d'une coupe perpendiculaire après fixation au tétraoxyde d'osmium (OsO4) permet de distinguer 3 couches de 75 A :Deux feuillets denses hydrophiles de 20 Å. Dans certains cas le feuillet externe est plus épais. Un feuillet clair hydrophobe de 35 Å. La membrane des organites cellulaires (golgi, mitochondries, RE) a la même épaisseur et le même aspect au microscope. On parle de la membrane de base

2. Composition chimique

2.1. Les lipides : ils représentent 40% du poids total de la membrane

a. Composition : Phospholipides:50-60% ; Cholestérol: 17-23% ; Glycolipides: 7-8%

b. Propriétés : les lipides membranaires sont amphiphiles c'est à dire qu'ils possèdent un pole hydrophile (=tête) et un coté hydrophobe (=Queue).



Fig.2-1:Représentation schématique (à gauche) et le modèle compact (à droite) des différents parties de la molécule phospholipide

c. Conséquence : en milieu aqueux, il y a formation des micelles ou d'une double couche lipidique.



Fig 2-2:Schéma représentant comment les molécules de phospholipides forment spontanément une micelle (A) ou une double couche de phosphoslipides (B) lorsqu'elles sont mises dans l'eau.

2.2. Les protéines : 60% du poids. On compte une molécule de protéines pour 75 molécules de lipides

a. Type : deux types de protéines selon leur emplacement dans la membrane.1/Protéines intégrées ou intrinsèques : se sont les protéines qui traversent la membrane plasmique d'un côté à l'autre. 2/Protéines périphériques ou extrinsèques sont situées soit du côté cytoplasmique soit du côté externe

b. Rôles : Les protéines membranaires n'ont pas uniquement un rôle structurel, mais aussi un rôle fonctionnel : enzymes (ATPase, phosphatase alcaline), transporteurs, récepteurs (hormone, médiateur chimique, neurotransmetteur) antigènes, canal ionique, protéines contractiles de type actine myosine

2.3. Les glucides : 2-10%

a. Configuration : Chaînes polysaccharidiques situées du côté externe de la membrane et sont liées soit aux : 1/Lipides: glycolipides, dans ce cas, on a une seule chaîne glucidique par molécule de lipide. 2/Protéines: Glycoprotéines, dans ce cas, on peut avoir plusieurs chaînes polysaccharidiques par protéines


b. Rôles :Les glucides membranaires peuvent avoir plusieurs rôles dans le fonctionnement de la cellule animale. Elles Assurent la cohésion des cellules adjacentes. Elles assurent aussi la reconnaissance de la spécificité cellulaire ainsi que la spécificité antigénique. Elles interviennent aussi dans les phénomènes de pénétrabilité (pinocytose et phagocytose)

3. Architecture membranaire

Conclusion: la double couche lipidique est la base des membranes biologiques dont laquelle les protéines sont généralement encastrées. Cette membrane est caractérisée par 1/ Sa fluidité cad que les molécules se déplacent dans une même couche (structure non rigide) et 2/ par son asymétrie cad que la composition de la couche interne est différente de l'externe.



Fig. 2-3:La membrane cellulaire est formée principalement de la bicouche lipidique (phospholipides) sur laquelle sont fixées les protéines

II. Définition de la perméabilité


La perméabilité est la propriété que possède la surface cellulaire d'absorber directement des substances du milieu extracellulaire et d'y éliminer d'autres substances. Elle peut prendre deux formes.

1. La perméabilité passive ou diffusion. Elle dépend uniquement des lois physico-chimiques et ne nécessitent pas l'intervention active de la cellule. On distingue deux types : 1/ La diffusion simple et 2/ La diffusion facilitée

2. La perméabilité active ou transport actif. Celui-ci implique la participation de la cellule par un apport d'énergie métabolique. Ce mécanisme permet le transport contre le gradient de concentration



Fig 2-4:Représentation schématique du transport passif qui se fait dans le sens d'un gradient électrochimique et du transport actif qui se fait dans le sens contraire du gradient électrochimique et nécessite de l'énergie



III. La Perméabilité passive

1. Diffusion simple

1.1. Définition : C'est le processus par lequel une substance passe d'un compartiment à un autre au travers d'une membrane sous la seule action des forces thermodynamiques. Le flux à travers la membrane est proportionnel au gradient électrochimique (=potentiel électrochimique)


1.2. Le gradient électrochimique : c'est la résultante des forces ou gradients qui déterminent le flux d'une substance donnée à travers la membrane. Plusieurs gradients ou forces peuvent y contribuer. Les principaux sont :

a. Le gradient de concentration : il est connu que le flux net d'une substance se fait du compartiment de forte concentration vers le compartiment de faible concentration. La loi de Fick permet de calculer le flux
Loi de Fick d(C1-C2)/dt =- K'(C1-C2) ; Avec K'=K S/E
Ce qui veut dire en d'autres termes que la variation de la différence de concentration par unité de temps est proportionnelle au gradient de concentration


b. Le gradient électrique : lorsqu'une molécule est chargée et s'il existe une différence de potentiel entre deux compartiments séparés par une membrane (comme c'est le cas pour toutes cellules animales), le rapport des concentrations à l'état d'équilibre (flux net=0) est donné par la loi de Nernst
C1/C2=exponentiel -Z(E1-E2)F/RT
Z= La charge de l'ion ; T=Température absolue (273+C) ; F= le Faraday (96520 Coulombs) ; E1-E2= Potentiel électrique (mV)
Conclusion: la conjugaison de ces forces rend délicat le calcul théorique du flux à travers la membrane. Généralement à l'équilibre, les concentrations de la substance dans les deux compartiments ne sont pas égales

1.3. Facteurs de la diffusion simple

a. l'épaisseur : presque constante pour toutes les cellules


b. La surface : certaines cellules spécialisées dans les échanges (cellule de lépithélium intestinal, cellule du tube contourné distal) présentent des adaptations morphologiques (microvillosités, invaginations) pour augmenter leur surface d'échange.




Photo2-1: Vue au microscope électronique d'un entérocyte, © CNRS-Wils, Warnery, Fabre E



Photo 2-2: vue au microscope optique d'une cellule de l'épithélium du tubule contourné proximal, (©www.medvet.umontreal.ca/histologie)



c. Le poids moléculaire : La membrane plasmique est pratiquement imperméable aux substances dont le poids moléculaire est supérieur à 1000.


d. l'ionisation : la double couche lipidique de la membrane plasmique est extrêmement imperméable aux molécules chargées (caractère hydrophile). Ainsi une molécule déterminée peut exister en deux formes: une forme ionisée et une autre non ionisée. Laquelle diffusera plus vite dans une membrane biologique (voir problème)
Les molécules ionisées ne diffuseront pas (ou peu) à travers la membrane plasmique.

e. La liposolubilité : C'est le facteur le plus déterminant (Expérience d'Overton 1902).

.

2. Diffusion facilitée

2.1. Définition : elle concerne la perméabilité de diverses molécules polaires (oses, ions, acides aminés) qui passent à travers la membrane plasmique sous l'effet du gradient électrochimique. Ces substances sont prises en charge par des protéines porteuses (=Transporteurs) qui les délivrent à l'intérieur de la cellule. Il s'agit d'un mécanisme saturable



Fig. 2-5:La cinétique d'une diffusion simple comparée à celle d'une diffusion facilitée faisant intervenir une protéine porteuse (transporteur). La vitesse de la seconde atteint un maximum (Vmax) quand la protéine porteuse est saturée

2.2. Type de protéines porteuses : Elles peuvent être distinguées selon deux critères bien distincts. 1/ selon le nombre et le sens des molécules transportées. Dans ce cas on distingue les uniports, les symports et les antiports (Fig 1-8). 2/ Selon le mode de fonctionnement :Dans ce cas on distingue deux types majeurs de fonctionnement : fonctionnement par bascule de la protéine ou selon le modèle Pong-Ping (Fig. 1-9). Vous pouvez aussi voir une animation de ces deux modes de fonctionnement.



Fig 1-8:Représentation schématique des protéines porteuses fonctionnant comme des systèmes uniport, symport ou antiport



Fig 1-9 :Schéma illustrant comment une protéine porteuse intervient dans la diffusion facilitée et ceci par un changement de conformation spatiale

3. Transport par canaux protéiques à ouverture contrôlée

Ils existent des canaux protéiques qui normalement sont fermés. Ils ne s'ouvrent que de manière provisoire dans des conditions particulières. En s'ouvrant, ils laissent passer un ion ou un groupe d'ion particulier (spécificité). On en distingue deux types : 1/ Canaux réglés par le ligand (Fig 1-10) et 2/ Canaux réglés par la tension.(Fig 1-11)



Fig 1-10:Représentation schématique des canaux ioniques à ouverture contrôlée par le ligand ne permettant le passage des ions dans le sens du gradient de concentration qu'après la fixation du ligand



Fig 1-11: Représentation schématique des canaux ioniques à ouverture contrôlée par la tension ne permettant le passage des ions dans le sens du gradient de concentration qu'après une petite variation de la ddp membranaire

4. L'osmose

L'osmose concerne le passage d'eau (solvant) à travers une membrane semi-perméable pour équilibrer les concentrations de part et d'autres de la membrane.
Notion de pression osmotique (Expérience du tube en U)
A noter que la pression osmotique est déterminée par le nombre de particules dissoutes par unité de volume et non par la masse des particules. Un atome de Na (poids moléculaire 23) engendrera la même pression osmotique qu'une protéine de poids moléculaire de 30 000


5. La filtration



IV. Perméabilité active


1. La pompe Na-K

1.1. Mise en évidence

a. Observation : pour les cellules animales, la composition du milieu extracellulaire est différente de celle du milieu intracellulaire et particulièrement pour les ions Na et K. Cette différence de répartition des ions est une des conditions de la vie cellulaire et joue un rôle dans l'excitabilité nerveuse et musculaire


Tableau : Valeurs normales des concentrations en Na+ et K+ dans le milieu intra et extracellualire chez les mammifères

Hématie
Plasma

Concentration en Sodium (mmol/l) 12
145

Concentration en Potassium (mmol/l) 140
5


b. Explications
Hypothèse 1 : La membrane est imperméable au Na+. Cette hypothèse est à écarter car les échanges ioniques ont été démontrés par l'utilisation d'ions radioactifs
Hypothèse 2 : La polarisation de la membrane. Celle ci peut expliquer le passage intracellulaire des cations (K+) par contre elle n'explique pas le non-passage du Na+
Conclusion: Il doit donc exister un mécanisme responsable du maintien d'une faible concentration en Na+ à l'intérieur et forte concentration du Na+ à l'extérieur.


1.2. Mise en évidence d'un transport actif


a. Action de la température : le stockage du sang pendant 20 à 25 jours à 2.5 °C. Le potassium des hématies peut s'équilibrer avec le plasma. Si on réchauffe à 37 le potassium rentre en partie


b. Action des inhibiteurs du métabolisme : voir l'expérience de Keynes et Hodgkin (1955) en utilisant l'axone de la seiche et en appliquant les inhibiteurs de métabolisme énergétique (le HCN et 2.4 Dinitrophénol).
Conclusion: Il existe donc une relation directe entre le métabolisme et la sortie du Na. Ce mécanisme est appelé pompe Na-K. L'énergie est libérée lors de la transformation de l'ATP en ADP


1.3. Couplage sodium Potassium : même protocole expérimental avec l'axone de la seiche et utilisant une eau sans K

1.4. Effet de l'ouabaine : l'ouabaine est un alcaloïde qui possède les propriétés suivantes : 1/ L'ouabaine inhibe la pompe Na-K mais uniquement lorsqu'elle est appliquée à l'extérieur de la cellule. 2/ L'ouabaine entre en compétition avec le K. 3/ L'ouabaine inhibe une enzyme connue pour dégrader l'ATP (ATPase).


1.5. l'ATPase Na-K dépendante. au niveau des hématies, deux types d'ATPases membranaires ont été isolés : 1/ Une nécessitant la présence du Mg++, non inhibée par l'ouabaine. 2/ l'autre nécessite la présence du Mg++, Na, K et inhibée par l'ouabaine( Fig 1-12)



Fig 1-12 :Schéma représentant l'ATPase Na+-K+ fonctionnant comme un pompe qui fait sortir le sodium vers l'extérieur et le potassium vers l'intérieur de la cellule.

L'animation de ce processus (© www.ibiblio.org) indique que lorsqu'une molécule d'ATP est dégradée deux molécules de potassium entre dans le compartiment intracellulaire et 3 molécules de sodium en sortent.


Conclusion: L'enzyme (ATPase Na-K dépendante) est donc la protéine du transport. Elle a été isolée. Il s'agit d'une protéine intégrée, formée de deux unités : 1/ Une unité catalytique capable de dégrader l'ATP et possédant des sites Na, K, en plus du site enzymatique. 2/ Une glycoprotéine dont la fonction est inconnue