Transport à travers la membrane cellulaire

Gradients à travers la membrane cellulaire

Pour comprendre comment fonctionne le transport à travers la membrane cellulaire, il faut d'abord comprendre comment fonctionnent les gradients lorsqu'il y a une membrane semi-perméable entre deux solutions.

Dans les cellules, la membrane semi-perméable est la membrane plasmique avec sa bicouche lipidique, et les deux solutions peuvent être :

• Le cytoplasme de la cellule et le liquide interstitiel lorsque l'échange se fait entre la cellule et son environnement extérieur.
• Le cytoplasme de la cellule et la lumière d'un organite membranaire lorsque l'échange se produit entre la cellule et l'un de ses organites.

Il existe deux types de gradients qui conditionnent la direction dans laquelle les molécules vont essayer de se déplacer à travers une membrane semi-perméable comme la membrane plasmique : les gradients chimiques et les gradients électriques.

• Les gradientschimiques, également connus sous le nom de gradients de concentration, sont des différences spatiales dans la concentration d'une substance. Lorsque l'on parle de gradients chimiques dans le contexte de la membrane cellulaire, on fait référence à uneconcentration différente de certaines molécules de part et d'autre de la membrane (à l'intérieur et à l'extérieur de la cellule ou de l'organite).
• Lesgradients électriques sont générés par des différences dans la quantité de charge de chaque côté de la membrane. Le potentiel membranaire au repos (généralement autour de -70 mV) indique que, même sans stimulus, il existe une différence de charge à l'intérieur et à l'extérieur de la cellule. Le potentiel de membrane au repos est négatif parce qu'il y a plus d'ions chargés positivement à l'extérieur de la cellule qu'à l'intérieur, c'est-à-dire que l'intérieur de la cellule est plus négatif.

Lorsque les molécules qui traversent la membrane cellulaire ne sont pas chargées, le seul gradient dont nous devons tenir compte pour déterminer la direction du mouvement pendant le transport passif (en l'absence d'énergie) est le gradient chimique. Par exemple, les gaz neutres comme l'oxygène traverseront la membrane et entreront dans les cellules du poumon parce qu'il y a généralement plus d'oxygène dans l'air qu'à l'intérieur des cellules. C'est l'inverse pour le_CO2, dont la concentration est plus élevée dans les poumons et qui se déplace vers l'air sans avoir besoin d'une médiation supplémentaire.

Cependant, lorsque les molécules sont chargées, il faut tenir compte de deux choses : la concentration et les gradients électriques. Les gradients électriques ne concernent que la charge : s'il y a plus de charges positives à l'extérieur de la cellule, en théorie, peu importe que ce soient des ions sodium ou potassium (^Na+ et ^K+, respectivement) qui entrent dans la cellule pour neutraliser la charge. Cependant, les ions ^Na+ sont plus abondants à l'extérieur de la cellule et les ions ^K+ sont plus abondants à l'intérieur de la cellule. Par conséquent, si les canaux appropriés s'ouvrent pour permettre aux molécules chargées de traverser la membrane cellulaire, ce seront les ions ^Na+ qui entreront plus facilement dans la cellule, car ils voyageront en faveur de leur gradient de concentration et de leur gradient électrique.

Pourquoi les gradients sont-ils importants ?

Les gradients sont essentiels au fonctionnement de la cellule car les différences de concentration et de charge des différentes molécules sont utilisées pour activer certains processus cellulaires.

Le fait que la membrane soit semi-perméable et non totalement perméable permet une régulation plus stricte des molécules qui peuvent traverser la membrane. Les molécules chargées et les grosses molécules ne peuvent pas traverser d'elles-mêmes et ont donc besoin de l'aide de protéines spécifiques qui leur permettent de se déplacer à travers la membrane en faveur ou contre leur gradient.

Types de transport à travers la membrane cellulaire

Les molécules sont transportées à travers la membrane cellulaire de trois manières principales : le transport passif, le transport actif et le transport actif secondaire. Nous examinerons de plus près chaque type de transport dans l'article, mais voyons d'abord la principale différence entre eux.

• Transport passif

  • Osmose

  • Diffusion simple

  • Diffusion facilitée

• Transport actif

  • Transport en vrac

• Transport actif secondaire (co-transport)

La principale différence entre ces modes de transport est que le transport actif nécessite de l'énergie sous forme d'ATP, ce qui n'est pas le cas du transport passif. Le transport actif secondaire ne nécessite pas directement d'énergie mais utilise les gradients générés par d'autres processus de transport actif pour déplacer les molécules concernées (il utilise indirectement l'énergie cellulaire).

Le fait qu'une molécule ait besoin d'énergie pour être transportée d'un côté à l'autre de la membrane dépend du gradient de cette molécule. En d'autres termes, le fait qu'une molécule soit transportée par le biais d'un transport actif ou passif dépend du fait que la molécule se déplace contre ou en faveur de son gradient.

Quelles sont les méthodes de transport passif de la membrane cellulaire ?

Le transport passif fait référence au transport à travers la membrane cellulaire qui ne nécessite pas d'énergie provenant de processus métaboliques. Cette forme de transport repose plutôt sur l'énergie cinétique naturelle des molécules et leur mouvement aléatoire, ainsi que sur les gradients naturels qui se forment de part et d'autre de la membrane cellulaire.

Toutes les molécules d'une solution sont en mouvement constant, donc par hasard, les molécules qui peuvent se déplacer à travers la bicouche lipidique le feront à un moment ou à un autre. Cependant, le mouvement net des molécules dépend du gradient : même si les molécules sont en mouvement constant, davantage de molécules traverseront la membrane du côté où la concentration est moindre s'il y a un gradient.

Il existe trois modes de transport passif :

• Diffusion simple
• Diffusion facilitée
• Osmose

Diffusion simple

Fig. 1. Diffusion simple : il y a plus de molécules violettes sur la face supérieure de la membrane, donc le mouvement net des molécules se fera du haut vers le bas de la membrane.

Diffusion facilitée

Les protéines de canal fournissent un canal hydrophile pour le passage des molécules chargées et polaires, comme les ions. Quant aux protéines porteuses, elles changent de forme pour le transport des molécules.

Fig. 2. Diffusion facilitée : il s'agit toujours d'une forme de transport passif car les molécules se déplacent d'une région avec plus de molécules vers une région avec moins de molécules, mais elles traversent un intermédiaire protéique.

Osmose

Bien que la terminologie correcte à utiliser pour parler de l'osmose soit le potentiel de l'eau, l'osmose est couramment décrite à l'aide de concepts liés à la concentration. Les molécules d'eau s'écoulent d'une région à faible concentration (grande quantité d'eau par rapport à la faible quantité de solutés) vers une région à forte concentration (faible quantité d'eau par rapport à la quantité de solutés).

L'eau s'écoule librement d'un côté à l'autre de la membrane, mais le taux d'osmose peut être augmenté si des aquaporines sont présentes dans la membrane cellulaire. Les aquaporines sont des protéines membranaires qui transportent sélectivement les molécules d'eau.

Fig. 3. Le diagramme montre le mouvement des molécules à travers la membrane cellulaire pendant l'osmose

Quelles sont les méthodes de transport actif ?

Lesprotéinesporteuses sont des protéines membranaires qui permettent le passage de molécules spécifiques à travers la membrane cellulaire. Elles sont utilisées à la fois dans ladiffusion facilitée et le transport actif. Les protéines porteuses utilisent l'ATP pour changer leur forme conformationnelle dans le transport actif, ce qui permet à une molécule liée de passer à travers la membrane contre son gradient chimique ou électrique. Dans la diffusion facilitée, cependant, l'ATP n'est pas nécessaire pour changer la forme de la protéine porteuse.

Fig. 4. Le diagramme montre le mouvement des molécules dans le transport actif : note que la molécule se déplace contre son gradient de concentration, et donc que l'ATP est cassé en ADP pour libérer l'énergie nécessaire.

Même si le transport actif habituel auquel nous faisons référence concerne une molécule directement transportée par une protéine porteuse de l'autre côté d'une membrane grâce à l'ATP, il existe d'autres types de transport actif qui diffèrent légèrement de ce modèle général : le cotransport et le transport en vrac.

Transport en vrac

Comme son nom l'indique, le transport en vrac consiste à échanger un grand nombre de molécules d'un côté à l'autre de la membrane. Le transport en vrac nécessite beaucoup d'énergie et est un processus assez complexe, car il implique la génération ou la fusion de vésicules à la membrane. Les molécules transportées le sont à l'intérieur des vésicules. Les deux types de transport en vrac sont :

• Endocytose - l'endocytose a pour but de transporter les molécules de l'extérieur vers l'intérieur de la cellule. La vésicule se forme vers l'intérieur de la cellule.
• Exocytose - l'exocytose a pour but de transporter des molécules de l'intérieur vers l'extérieur de la cellule. La vésicule transportant les molécules fusionne avec la membrane pour expulser son contenu à l'extérieur de la cellule.

Fig. 5. Schéma de l'endocytose. Comme tu peux le voir, l'endocytose peut être divisée en plusieurs sous-types. Chacun d'entre eux a sa propre régulation, mais le point commun est que le fait de devoir générer une vésicule entière pour transporter des molécules à l'intérieur ou à l'extérieur de la cellule est extrêmement coûteux en énergie.

Fig. 6. Schéma de l'exocytose. Comme pour l'endocytose, l'exocytose peut être subdivisée en d'autres types, mais tous deux restent extrêmement consommateurs d'énergie.

Transport actif secondaire

Fig. 7. Co-transport du sodium et du glucose. Remarque que les deux molécules sont transportées dans la même direction, mais qu'elles ont chacune des gradients différents ! Le sodium se déplace vers le bas de son gradient, tandis que le glucose se déplace vers le haut de son gradient.

Nous espérons qu'avec cet article, tu as pu te faire une idée précise des types de transport à travers la membrane cellulaire qui existent. Si tu as besoin de plus d'informations, consulte nos articles d'approfondissement sur chaque type de transport, également disponibles sur StudySmarter !