Biologie cellulaire 3

1. 7. LES ROLES PHYSIOLOGIQUES

1.7.1 la perméabilité

Les échanges d’ions et de molécules de toutes tailles entre cellules et milieu  environnant est indispensable . Les mécanismes de ces échanges sont variables et complexes, ce qui amène à les classifier pour faciliter leur approche.

A un premier niveau, on distingue :

1)   les transports perméatifs qui concerne les ions et les substances de faible poids moléculaire dont le passage n’implique pas de déformation de la membrane cellulaire ( visible en microscopie électronique ).

2)   les transports cytotiques  s’appliquant aux substances de plus haut poids moléculaire dont le passage provoque une déformation de la membrane cellulaire aboutissant à la formation d’une vacuole ( endocytose, exocytose).

A un second niveau et dans la gamme des transports perméatifs, on distingue encore les transports passifs  réalisés sans apport énergétique et les transports actifs impossibles sans consommation d’énergie par la cellule.

Globalement, la membrane plasmique représentant une barrière de perméabilité, il y a peu de diffusion spontanée d’ions ou d’autres molécules au travers de la double couche lipidique.Le passage est souvent réalisé par des protéines intégrales spécifiques ( protéines canaux, protéines pompes) que l’on appelle transporteurs.

a)  Les  transporteurs

Ce sont des protéines ou même des glycoprotéines répondant aux critères suivants :

Protéines  oligomériques, intrinsèques, douées de plusieurs conformations.

On distingue deux grands types de transporteurs :

1)  Les transporteurs passifs :ce sont des protéines qui reconnaissent un ligand spécifique et le font passer dans le sens souhaité par le métabolisme de la cellule. Le passage respecte toujours un gradient de concentration. Le transport de glucose peut se faire grâce à un transporteur passif, ce sont des perméases, qui fonctionnent comme un système enzyme-substrat.

2)  Les transporteurs actifs : Ce sont des protéines qui doivent, pour faire passer leur ligand, dans le sens opposé au gradient de concentration , changer de conformation , pour ce, elles doivent être couplées a un système donneur d’énergie qui consomme de l’ATP ( ex : transporteurs d’ions, d’a.a.)

 b)  Les forces de transport

Différence de concentration,Migration dans un champ électrique,Ecoulement sous l’effet d’une différence de pression,Transport
par un solvant.

En ce qui concerne les transports actifs, ceux –ci se réalisent grâce à l’énergie d’un molécule intermédiaire (ATP, GTP, … )

1.7.1.1 La perméabilité à l’eau

a ) Principe 

C’est la différence de pression osmotique entre les compartiments intra et extra-cellulaires qui sont à la base du flux net en eau au travers de la membrane plasmique.On peut considérer que la membrane artificielle semi-perméable ( laisse passer l’eau et non le soluté) constitue un modèle satisfaisant pour établir les lois de l’osmose également applicables à la membrane plasmique.

Si l'on place des hématies dans de l'eau pure (eau distillée), on constate que l'eau rentre dans les cellules jusqu'à ce que la pression y soit si élevée que les cellules se déforment puis éclatent : c'est l'hémolyse. Si on place des hématies dans une solution saline de NaCl à 2 %, les globules se vident de leur eau, rétrécissent et se ratatinent. Dans une solution saline de NaCl à 8,5 ‰ (= 0,85%), encore appelée solution physiologique ou liquide physiologique, de l'eau sort à tout moment de la cellule, mais la même quantité y rentre dans le même temps, de sorte quel'hématie conserve sa forme typique circulaire biconcave.

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Dessins montrant le comportement d'hématies en
milieux hypotonique (à gauche), isotonique (au centre) et
hypertonique (à droite) (d'après Griffin).

Ces trois situations impliquent un phénomène explicable par la perméation membranaire de l'eau :l'osmose.

On peut reconstituer artificiellement ces situations et mesurer la pression osmotique (c'est-à-dire la pression d'eau faisant gonfler ou se recroqueviller les cellules) en construisant un appareillage simple: l'osmomètre de Dutrochet. Il comprend un cristallisoir rempli, par exemple, d'eau distillée. Dans ce cristallisoir plonge un entonnoir fermé par une membrane semi-perméable (membrane ne laissant passer par perméation que l'eau) et rempli, par exemple, d'une solution saline ou sucrée. Si, à l'origine, les liquides sont au même niveau dans le cristallisoir et dans le tube de l'entonnoir, on constate après quelques minutes une très lente montée du niveau du liquide dans le tube de l'entonnoir, c'est-à-dire de la solution la plus concentrée en soluté.

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Dessins montrant un osmomètre de Dutrochet en
milieux hypotonique (à gauche), isotonique (au centre) et
hypertonique (à droite) (d'après Griffin).

L'osmose est un transfert d'eau à travers une membrane semi-perméable du milieu le moins concentré en soluté vers le milieu le plus concentré en soluté.

Pour expliquer ce phénomène, il suffit de se rappeler qu'au plus une solution est concentrée en soluté, au moins elle l'est en eau et inversement. La nature ayant spontanément tendance à équilibrer les concentrations de part et d'autre de la membrane, mais seule parmi les molécules polaires l'eau pouvant passer en empruntant les aquaporines, cette eau ira donc du compartiment le plus
concentré en eau (où il y a le moins de soluté) vers le compartiment le moins concentré en eau (où il y a le plus de soluté), le soluté ne pouvant passer dans l'autre sens puisque la membrane lui est imperméable.

Si, dans l'entonnoir de l'osmomètre de DUTROCHET, on augmente la concentration en soluté, le cristallisoir restant rempli d'eau pure, on constate que le niveau d'eau salée (ou sucrée) se stabilise à un niveau supérieur.
Autrement dit, plus la différence de concentration en soluté est grande entre les deux compartiments, plus grande sera la pression osmotique responsable de l'élévation du niveau d'eau salée.

A l'équilibre, la pression osmotique P est égale au poids de la colonne d'eau salée (de hauteur Dh) rapporté à la section S, surface de membrane semi-perméable, car:

P=m .g/S

P=V.r.g/S , P=Dh.S.r.g/S où r est la masse volumique du liquide et g l'accélération de la pesanteur.

L'expression "S.r.g/S" étant constante (la masse spécifique de l'eau salée variant cependant légèrement en fonction de sa concentration saline) pour un osmomètre donné, la hauteur de la colonne d'eau est directement proportionnelle à la pression
osmotique et constitue donc une excellente mesure comparative de différentes pressions osmotiques,générées elles-mêmes par diverses  différences de concentrations salines ou sucrées entre les deux compartiments.

On peut aussi calculer théoriquement la pression osmotique selon la formule :

P=C.R.T où P est la pression osmotique, C est la concentration de la solution ,R est la constante des gaz parfaits (= 8,3143 J . mol-1 .°K-1 ),T est la température absolue

Cas de l'équilibre entre deux solutions, plutôt qu'une solution et de l'eau pure 

L’équilibre ( flux net en eau nul ) est atteint quand  la pression hydrostatique annule la différence de pression osmotique ( expérience des deux compartiments séparés par une membrane semi perméable) entre les deux compartiments.

La loi de Van ‘ t Hoff exprime de manière approximative la valeur de la pression hydrostatique à l’équilibre donc également la valeur de la différence de pression osmotique entre les deux compartiments :

Π = RT (Cs1 – Cs2 ) 

Avec R constante des gaz parfaits dans le système mole-litre-atmosphère

Cs1 et Cs2 les concentrations en moles/litre dans les compartiment 1 et 2

Si l’un des compartiments ( par exemple s2 ) contient del’eau pure alors Cs2 = 0

Et : Π = RT (Cs1) représente la pression osmotique de la solution considérée.

Tout porte à croire que la membrane plasmique se comporte approximativement comme une membrane semi-perméable :

En effet , l’observation d’hématies dans des solutions de NaCl à différentes concentrations

Nous apprend que :

Dans  une solution isotonique ( même pression osmotique que dans l’hématie, 0,9 % NaCl ) Les hématies restent normales

Dans une solution hypertonique ( pression osmotique supérieure que dans l’hématie), les hématies se déshydratent et prennent un aspect crénelé par perte d’eau.

Dans une solution isotonique ( pression osmotique inférieure…  ), les hématies gonflent et éclatent par entrée d’eau  ( hémolyse).

a)   Comment l’eau passe-t-elle

Matériel d’étude : peau de la vessie de crapaud, ce matériel est intéressant car il se comporte comme un couche monocellulaire et que sa perméabilité à l’eau est variable en, fonction des conditions physiologiques.

Epithélium vésical de crapaud 

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Interprétation du mécanisme permettant le passage de l’eau

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Observations :

- Observation d’un flux passif au travers de pores de très faible diamètre  (+/- 2 nm ) ou diffusion pure, chaque molécule d’eau pénétrant dans la phase lipidique individuellement et indépendamment de tout soluté.

-  Lorsqu’une action hormonale se fait sentir au niveau de la membrane ( vasopressine), le flux net est fortement augmenté. Ceci trouve son explication que certaines protéines membranaires découvertes depuis peu et dénommées aquaporines forment des agrégats et ménagent en leur centre des trous, sites de passage sélectif des molécules d’eau  .

1.7.1.2 Perméabilité aux non électrolytes.

Conditions d’équilibre entre deux compartiments ( pas de flux net ) :

Pas de différence de concentration

Pas de différence de potentiel chimique

Il existe deux mécanismes de passage des non électrolytes.

1) La diffusion pure

Corrélation étroite entre coefficient de perméabilité et liposolubilité des différentes substances  exemples : éthers,cétones  passage rapide.

Cependant, on remarque que certaines substances de poids moléculaires faibles ( eau, CH3OH, CH3ONH2  …) ayant une liposolubilité faible pénètrent également rapidement dans la cellule . On explique ce phénomène par le fait que la membrane est une mosaïque de zones lipoïdiques et de régions poreuses formées par l’agglomération de protéines fibreuses.

2)  La diffusion facilitée

Transport passif d'une molécule grâce à un transporteur membranaire spécifique. Le transport du glucose dans les érythrocytes à l'aide du transporteur GLUT-1 est un exemple de transport par diffusion facilitée.En effet, le glucose pénètre très rapidement dans la cellule et pourtant sa liposolubilité est nulle molécule polarisée).

Cependant une anomalie apparaît, cette anomalie vient du coefficient de perméabilité : il varie proportionnellement à la concentration externe de glucose jusqu'à une certaine valeur qui ne variera plus malgré que la concentration en glucose extérieur continue à augmenter.

On peut donc conclure d’une part que le mode de pénétration est plus complexe que dans le cas de la diffusion pure et d’autre part que le transport se fait par un mécanisme similaire au mécanisme enzymatique vu l’existence d’un phénomène de saturation ( coefficient de perméabilité maximum.). On peut donc raisonnablement considérer que le passage de la membrane se fait à l’aide d’un transporteur spécifique étant donné l’existence d’une cinétique de saturation ( voir cinétique enzymatique de Michaelis-Menten ).

D’autre part nous pouvons citer les quatre grandes caractéristiques du mécanisme de diffusion facilitée :

o          S’exerce toujours dans un sens compatible avec le gradient de potentiel chimique

o          Cinétique de type enzymatique avec saturation par le substrat.

o          Haute spécificité vis à vis du substrat

o          Transport fonction de T° et  sensibles aux poisons métaboliques.

Les transporteurs sont de deux types :

         Protéines intégrales

o          Protéines périphériques liées à des protéines intégrales

Mécanisme de la diffusion facilitée

Il y a en premier lieu formation d’un complexe substrat transporteur grâce à la réalisation d’une liaison covalente, ce qui est à la limite un cas particulier apparenté aux réactions enzymatiques, raison pour laquelle le transporteur porte le nom de perméase.

En second lieu, il y a translocation du substrat par rotation du complexe ou par changement de conformation du transporteur.

Finalement, le complexe se dissocie et libère le substrat dans le cytoplasme.

Potentiellement, la translocation du substrat, pour un transporteur donné? peut se faire dans les deux sens indifféremment, ce phénomène est connu sous le nom d’échange diffusion et est, ne l’oublions pas régit  par le gradient de potentiel chimique.

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Cette figure montre d'une façon schématique la diffusion de molécules de glucose à travers la membrane  cytoplasmique. Cette diffusion nécessite une protéine transporteur spécifique au glucose .

1.7.1.3 Perméabilité aux électrolytes et diffusion de ceux-ci

Conditions d’équilibre entre deux compartiments

Pas de différence de potentiel chimique

Pas de différence de potentiel électrique

Donc, pas de gradient électrochimique

On peut cependant avoir, et c’est très généralement le cas pour les cellules, des différences de concentration entre milieu intra et extra cellulaire pour les différents ions présents, à condition qu’il existe une différence de potentiel électrique entre les deux faces de la membrane : la membrane est dite polarisée.

Cette différence de potentiel est appelée potentiel d’équilibre

Exemples :

Ions Na+, conc ext = 10 . conc int    ----------  U = 65 millivolts

Ions K+ ,   conc int = 10 . conc ext   ------------ U = -95 millivolts

Si on prend en cause tous les ions, on parlera de potentiel transmembranaire ou de potentiel de membrane.

On le met très facilement en évidence en descendant une microélectrode à l'intérieur d'une fibre nerveuse à l'aide d'un micromanipulateur. Tant que les deux électrodes se trouvent dans le milieu extracellulaire, leur différence de potentiel est nulle mais dès que la microélectrode perfore la membrane et pénètre à l'intérieur de la fibre, on observe une chute du potentiel qui se stabilise aux alentours de – 60 mV.

Ce potentiel est plus ou moins égal à –70 millivolts.

La polarisation membranaire de repos ( cas d'une cellule excitable nerveuse )

Au repos, le neurone est électriquement polarisé.

La différence de potentiel mesurée par une électrode placée dans la cellule est d'environ 60 millivolts par rapport à une électrode de référence placée dans le milieu extracellulaire.

Cette polarisation membranaire de repos est stable dans le temps, tant que le neurone n'est pas sollicité sur ses entrées dendritiques par des neurones situés en amont dans le réseau.

La distribution des ions de part et d'autre de la membrane plasmique est inégale. On trouve davantage d'ions K+ à l'intérieur de la cellule qu'à l'extérieur. Pour les ions Na+, Ca++ et Cl- c'est l'inverse. Ces gradients de concentration qui existent pour chaque espèce ionique entraînent des transports passifs par diffusion. Les ions étant des particules chargées, leur déplacement sera fortement influencé par la présence d'un champ électrique transmembranaire. Ainsi, pour chaque espèce ionique, la condition d'équilibre ne sera pas nécessairement obtenue par l'égalisation des concentrations comme dans le cas des solutés électriquement neutres.

 

Une différence de concentration de part et d'autre de la membrane peut donc exister dans des conditions d'équilibre pour un électrolyte si elle est contrebalancée par une différence de potentiel électrique entre les deux compartiments. Cette différence de potentiel est appelée potentiel d'équilibre pour un ion donné (E ion). Elle se calcule avec l'équation de Nernst :

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Pour un neurone de mammifère, les potentiels d'équilibre calculés sont :

EK = -84mV, ENa = +60mV, E Ca = +116mV, E Cl = -58 mV.

Si la membrane n'était perméable qu'à un seul ion, le potentiel de membrane au repos serait égal au potentiel Eion calculé comme ci-dessus. Tel n'est pas le cas et chaque ion est soumis à un gradient électrochimique exprimé par la différence entre le potentiel de repos Em de la membrane et le potentiel théorique calculé E (ion), gradient dont l'effet sera de créer un flux d'ion, donc un courant ionique. La transposition de la loi d'Ohm U = R I à un gradient électrochimique donne :sans-titre-269.png

 

Comme la membrane est perméable à tous ces ions (les anions, à l'exception du chlore, ne traversent pas ou peu la membrane), le potentiel de membrane ( Em) ne correspond à aucune de ces valeurs mais résulte de la combinaison des différents flux ioniques générés par leurs gradients de concentration et leurs gradients électriques.

 

On obtient ainsi :

un flux net entrant de sodium du à la somme des gradients ;

un flux net sortant de potassium du à la différence des gradients ;

un flux net entrant de calcium du à la somme des gradients ;

un flux nul de chlore puisque les deux gradients s'annulent.

Or, il se trouve qu'au repos, très peu de canaux au sodium et au calcium sont ouverts. Il en résulte que le potentiel de repos est principalement du à une sortie de potassium de la cellule, ce qui a pour effet de négativer le milieu intracellulaire aux abords de la membrane.

Em est proche de EK : donc ce sont surtout les ions K+ qui déterminent le potentiel de repos. Des canaux potassiques dits canaux de fuite sont en permanence ouverts dans la membrane au repos et autorisent la libre sortie des ions K+ selon leur gradient de concentration. En revanche, peu de canaux de fuite Na+ sont ouverts au repos. Ainsi Em se stabilise à une valeur intermédiaire entre EK et ENa au prorata des perméabilités respectives. (Si la perméabilité de la membrane était la même pour les deux ions potentiel serait à mi valeur entre EK et ENa).

On comprend que la forte tendance des ions K+ à sortir de la cellule (Nombreux canaux ouverts) et la faible tendance des ions Na+ à entrer (peu de canaux ouverts) devrait conduire à un changement des concentrations extra et intracellulaires observées, ce qui n'est pas vérifié. Il existe donc un dispositif qui récupère les ions K+ qui s'échappent de la cellule et qui refoule les ions Na+ qui pénètrent dans la cellule. Ce dispositif qui déplace des ions, contre leur gradient de concentration, est un transport actif qui nécessite de l'énergie : on l'appelle la pompe Na-K. . Elle utilise l'Adénosine triphosphate (ATP) comme source d'énergie pour transporter les ions contre leur gradient. Son rôle, en maintenant stables les concentrations de part et d'autre de la membrane pour Na et K, est de maintenir stable le potentiel de repos en fonction du temps.

Nous savons donc que certains ions on tendance à entrer dans la cellule ( Na+) et d’autres ont tendance à en sortir (K+). C’est la différence entre la vitesse d’entrée du Sodium et la vitesse de sortie du Potassium qui détermine en grande partie le potentiel membranaire.

Cependant, avec le temps, les mouvements  des deux cations auraient tendance à provoquer une modification du potentiel membranaire. Il faudra donc, pour maintenir un potentiel stable donc des concentrations ioniques stables, un  mécanisme inverse agissant contre le gradient de concentration.

Aspects moléculaires des passages des électrolytes.

a) les pompes ioniques

Comme nous l’avons vu, le maintien du potentiel de membrane impose un transport d’ions contre leur gradient de concentration . Les dispositifs assurant cette fonctions sont des transporteurs actifs dénommés pompes ioniques et nécessitent la consommation d’un intermédiaire riche en énergie comme l’ATP.

ex : Pompe Na/K Atpase ( pour cations monovalents )

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Il s’agit d’une protéine tétramérique :2 chaînes α extérieures ( glycoprotéines) et 2 chaînes β  extérieures  ( glycoprotéines).

Sur les chaînes α on trouve un site de fixation de ATP et un site de fixation de Pi.

Sur les chaînes  β on trouve un site de fixation de Na+ et un site de fixation de K+

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La pompe s’appelle également ATPase Na+ , K+  dépendante :

Mécanisme de fonctionnement

a)   La pompe se trouve dans la conformation A, elle a ainsi une forte affinité pour le sodium dont elle capte 3 ions à l’intérieur du cytoplasme au niveau d’une chaîne β . En même temps une molécule d’ATP est fixée et s’hydrolyse, le résidu phosphate moléculaire ( Pm ) est transféré sur son site de  fixation au niveau d’un résidu arginine.

b) La phosphorylation de l’ATP provoque le changement de conformation de la pompe qui passe à la conformation B.

c) Les sites fixant le Na+ sont modifiés, et l’affinité de la pompe pour ces ions est devenue faible ce qui cause une libération de Na+ dans le milieur extra cellulaire. En même temps, les sites  β montrent maintenant une forte affinité pour le K+ et deux ions sont fortement fixés.

d) Retour à la conformation A par hydrolyse de la liaison phosphate , les deux ions K+ sont ramenés à l’intérieur de la cellule et libérés, situation de départ.

Autres

Dans la gamme des transporteurs actifs d’électrolytes, il existe d’autre de pompes de type ATPase avec d’autres spécificités ou rôles . Par exemple la pompe ATPase cotransporteur Na+, K+ : expulsion simultanée  de la cellule si leur concentration est trop élevée.

Notons que le fonctionnement de cette pompe nécessite la présence du cation Mg++ 

Il existe également des pompes pour certains cations bivalents comme Ca++ et Mg++, il est cependant à noter que tous les cations bivalents ne sont pas transportés de cette manière. Le Fe++ est par exemple transporté par cytose.

b)   perméabilité passive des électrolytes

Par le fonctionnement des pompes ioniques ( transport actif) il y a apparition de différence de potentiel électrochimique, ce qui provoque une tendance au déplacement des ions dans le sens de leur gradient de concentration ou en fonction du voltage ( transport passif).

Transport passif des anions

Les anions traversent grâce à ce que l’on appelle le canal des anions.Il s’agit d’une protéine intégrale qui possède  deux sites actifs :

Un site régulateur R

Un  site de fixation composé par un résidu arginine chargé positivement.

La fixation de Cl- sur son site de fixation provoque un changement de conformation : S +Cl Passe de l’autre côté de la membrane .

L’augmentation de la concentration en Cl- dans le cytoplasme est détecté par le site régulateur qui à partir d’un  certain seuil de concentration en Cl- bloque le transfert de l’ion. 

sans-titre-272.png Transport passif des cations

Exemple :

Le canal Sodium : c’est un canal qui dépend du voltage, donc du potentiel de membrane.

Il s’agit d’un filtre spécifique qui ne laisse passer que cet ion, il possède une fonction d’interrupteur : c’- à – d    qu’il s’ouvre ou se ferme en fonction de la différence de potentiel existant de part et d’autre de la membrane  plasmique.

 1.7.1.4   Les ionophores

Certaines catégories de substances peuvent s’insérer dans la membrane et rendre celle-ci  perméable à certains ions.

Ces substances proviennent souvent de microorganismes et possèdent des propriétés antibiotiques , ex : Gramicidine, linomycine  ( ionophore du Potassium)

Le fonctionnement de ces ionophores au sein de la membrane plasmique peut par exemple provoquer une modification du potentiel membranaire.

Types d’ionophores

- Ionophore navette

- Ionophore canal

Remarque : actuellement, les propriétés des substances ionophores sont mises à profil dans certaines applications , notamment l’alimentation des animaux d’élevage ou en pharmacologie ( médicaments sédatifs, relaxants…) .

On peut montrer que l’introduction de valinomycine ou de gramicidine à une bicouche lipidique artificielle peut augmenter d’un facteur 10.000 sa conductance au Potassium . La spécificité des ionophores peut être élevée, mais son mécanisme est encore mal compris. Ainsi, la valinomycine a une affinité 10.000 fois plus élevée pour le Potassium que pour le Sodium.

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1.7.1.5 Les transports cytotiques 

Comme nous l’avons dit plus haut, ce sont des transports qui induisent une déformation au moins temporaire de la membrane plasmique , déformation visible en microscopie électronique. Ce sont des transports actifs.

Ces transports cytotiques sont scindés en deux groupes selon qu’ils concernent la sortie ou l’entrée de matériaux au niveau de la cellule :

- L’endocytose

- L’exocytose 

1.7.1.5.1 Les phénomènes d’endocytose

Classification

Les phénomènes d’endocytose se répartissent eux-même en trois classes comme l’explicite le texte suivant :

Endocytose

En anglais endocytosis.

Terme issu du grec endon : dedans et kutos : cellule.

Signifie vers l'intérieur de la cellule.

Ce mécanisme de transports va permettre à de grosses molécules ou encore à des macromolécules de pénétrer
dans la cellule. Pour cela, il est nécessaire qu'une vésicule se forme. Ce processus est obtenu à partir de la membrane cytoplasmique de laquelle se détache graduellement une sorte d'invagination. On décrit classiquement trois formes d'endocytose :

La phagocytose (qui signifie action de manger) au cours de laquelle des portions de membranen cytoplasmique mais également du cytoplasme entourent progressivement un objet destiné à être absorbé par la cellule. Il se forme ainsi une vésicule que l'on appelle le phagosome autrement dit corps à manger. Le plus souvent le phagosome va fusionner avec un lysosome contenant des enzymes digestives qui vont permettre d'hydrolyser (détruire) le contenu de la vésicule. L'intervention d'une variété de globules blancs : les macrophages est habituel dans l'organisme humain. Ils permettent ainsi l'élimination de bactéries et d'autres substances étrangères ainsi que celle des cellules mortes. Les phagocytes ne sont pas immobiles, ils se déplacent grâce à des mouvements amiboïdes (ils rampent) en utilisant des prolongements du cytoplasme qui forment des pseudopodes.

Ce mécanisme de la phagocytose a été admirablement développé par certaines cellules de notre organisme. Il s'agit en l'occurence les globules blancs et les macrophages capables de capturer et d'engloutir des microorganismes indésirables.

Ainsi, les globules blancs en circulation dans le sang sont attirés pas des substances chimiques libérées par les microorganismes ou des tissus endommagés.

  1. Ils traversent alors la paroi des capillaires et se dirigent là où se trouvent les
    microorganismes ou les cellules endommagées.
  2. Progressivement, le globule blanc enrobe la bactérie ou les débris cellulaires par un mécanisme d'expansion de la membrane cytoplasmique qui les entoure. La bactérie ou les débris cellulaires se retrouvent finalement isolés dans une vésicule membranaire relativement volumineuse au sein du milieu intracellulaire.

Normalement, le globule blanc se charge de détruire ensuite le contenu de la vésicule et de récupérer puis recycler les morceaux de membrane utilisés lors du processus de la phagocytose. Cependant, cette situation est à double tranchant à savoir qu'un globule blanc peut, à son insu, faire traverser la membrane cytoplasmique, par endocytose à des bactéries ou à des virus lesquels, une fois à l'intérieur de la cellule,  peuvent se développer librement dans le cytoplasme du globule qui peut, à ce moment,perdre son intégrité.

La pinocytose. Comparativement à la phagocytose, la pinocytose est l'action de boire de la cellule. En effet, lors de ce mécanisme on voit se mettre en place dans la cellule un petit repli de membrane qui vient doucement englober une gouttelette de liquide contenue à l'extérieur de la cellule dans laquelle se trouvent des molécules dissoutes. Dans un deuxième temps cette gouttelette pénètre dans la cellule à l'intérieur d'une vésicule pinocytaire de très petite taille. Le mécanisme de pinocytose est employé par certaines variétés de cellules pour absorber des nutriments. Les tissus contenant cette variété de cellules sont ceux qui tapissent l'intérieur des intestins essentiellement.

L'endocytose ( sélective) par récepteurs interposés. Contrairement aux deux mécanismes précédemment cités,l'endocytose est très sélective. Dans ce cas les récepteurs employés par la cellule sont des protéines de la membrane cytoplasmique qui vont se lier uniquement qu'avec certaines substances. Secondairement, les récepteurs et les substances qui sont ainsi liés entre elles vont pénétrer vers l'intérieur de la cellule en utilisant de petites vésicules que l'on appelle des vésicules tapissées. La clathrine est une couche de protéines qui forment la surface du cytoplasme de la vésicule. Les vésicules à paroi tapissée sont parfois dites vacuoles à paroi hérissée lorsqu’elle peuvent accueillir des récepteurs (coated vesicle).  

L'endocytose est utilisée tout particulièrement par les reins pour favoriser l'absorption de diverses substances comme l'insuline, des lipoprotéines dont la densité est basse (cholestérol), le fer et certaines petites protéines. Il existe une pathologie appelée l'hypercholestérolémie familiale (maladie héréditaire) dans laquelle les récepteurs protéïniques qui sont nécessaires à la capture du cholestérol et qui utilisent le phénomène d'endocytose, sont absents. Cette anomalie est à l'origine d'une accumulation de cholestérol en dehors de la cellule c'est-à-dire dans le sang. L'hypercholestérolémie familiale est susceptible d'être à l'origine de maladie coronarienne entre autres.

Microphotographie électronique illustrant la phagocytose


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Mécanismes de l’endocytose spécifique : Présence de récepteurs spécifiques

Sur la membrane plasmique se trouvent des récepteurs riches en grosses protéines qui présentent une certaine déclivité et qu’on appelle vésicules recouvertes. Ces vésicules recouvertes sont constituées de grosses molécules protéiques appelées Triskélions  ( 650.000 Daltons ) contenant un trimère d’une protéine appelée clarthrine et trois autres protéines.Elles sont  responsables de la déclivité qui constitue un piège pour les récepteurs membranaires couplés à leur ligand.

Il n’y a pas de cholestérol au niveau de ces vésicules , ce qui induit une certaine souplesse de l’ensemble.

On pense que le déroulement de l’endocytose spécifique se fait comme suit :

1)   Les récepteurs spécifiques chargés de leur ligand glissent vers les vésicules recouvertes qui s’invaginent de plus en plus . Plus ou moins mille récepteurs peuvent s’agglomérer de la sorte.

2)  La vésicule recouverte se sépare en deux lobes.

-  L’une contient les triskélions et redonnera une vésicule recouverte

- L’autre contenant les récepteurs chargés donnera une vésicule appelée  réceptosome qui migrera vers l’appareil de Golgi.

3)   En ce qui concerne les récepteurs et leur ligand, il y a deux possibilités :-         

La première consiste en la destruction du récepteur et du ligand

-  La seconde correspond au recyclage du récepteur et à l’utilisation du ligand

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Sur ce schéma, les deux lobes issus de la vésicule recouverte et leur individualisation ne sont pas représentés.

plus simplement on a le schéma suivant :

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Différentes molécules peuvent être transportées de la sorte : Transferrine portant le fer, l’α 2 macroglobuline, l’insuline, la transcobalamine 2 …

1.7.1.5.2 Les phénomènes d’exocytose

Définition : L’exocytose est le rejet de substances de la cellule sans traverser la membrane.

Origine et nature des substances libérées :

Origine exogène : Rejet de substances internalisées par endocytose

                              Expulsion de déchets du métabolisme

Origine endogène : Les produits synthétisés et « emballés » dans la cellule sont expulsés, enzymes, hormones, neurotransmetteurs…

Ces phénomènes de cytose participent aux mouvements de déplacement des cellules.Certaines cellules doivent pouvoir se
déplacer pour accomplir leurs rôles ( fibroblastes, macrophages…) . Ce déplacement se fait sur un substrat .De plus, on peut dire que toute cellule possède  potentiellement la  capacité de se déplacer ( cancers et métastases…).

Chez tous les eucaryotes, l'exocytose est un processus fondamental qui permet la croissance membranaire et la communication intercellulaire. L'exocytose est l'étape terminale d'une voie de trafic appelée sécrétion. Quand elle a lieu en réponse à une stimulation externe, on parle d'exocytose régulée. Chez les organismes pluricellulaires, cette fonction est généralement l'apanage des cellules différenciées d'organes spécialisés dans la sécrétion (pancréas, glandes surrénales, hypophyse…). L'exocytose est également à l'origine de l'édification de réseaux complexes au sein d'un organisme parce qu'elle permet le relargage dans le milieu de molécules informatives (système hormonal, système immunitaire, édification du système nerveux).

L'exocytose est l'un des exemples de fusion membranaire. La fusion membranaire est un processus présent tout au long du trafic intracellulaire qui est une succession de bourgeonnements, à partir d'un compartiment donneur, de vésicules qui ensuite fusionnent avec un compartiment cible. Depuis les dix dernières années, les recherches ont montré que tous ces évènements de fusion membranaire dans la cellule, y compris l'exocytose,impliquaient le même ensemble de protéines.

À ce jour, les mécanismes régissant l'exocytose sont encore mal connus, bien que de très nombreux acteurs protéiques aient été identifiés (activité GTPase, senseurs à calcium, complexe NSF/SNAP/SNAREs). En particulier, les SNAREs sont des molécules clefs du mécanisme de fusion membranaire. Ces protéines, présentes à la fois sur la membrane cible et la vésicule, sont capables de s'associer en trans pour former un complexe thermodynamiquement très stable. Cette énergie permet le rapprochement des deux bicouches lipidiques à fusionner.

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La chronologie des évènements de fusion n'est pas encore élucidée et le rôle exact des SNAREs est actuellement au cœur d'un débat reposant sur deux modèles (pour revue, voir Mayer, 2001).

L'un prône l'action unique du complexe SNARE dans la fusion. En effet, la force fournie par l'association des SNAREs serait suffisante pour le mélange des bicouches lipidiques. L'autre propose un mécanisme en deux étapes au cours duquel les SNAREs permettraient un rapprochement des membranes à fusionner mais la fusion elle-même serait médiée par des protéines capables de former un pore dans les membranes.

1.7.2 Le transfert d’informations

Les cellules communiquent entre elles soit :

Par voie nerveuse

Par  voie humorale : sécrétion autocrine, paracrine et endocrine, dans tous les cas , il s’agit d’un même processus : une cellule émettrice libère par exocytose  une molécule  qui sera, après cheminement réceptionnée par une cellule cible qui possède sur sa membrane les récepteurs spécifiques de cette molécule.

1.7.2.1 Le transfert d’information par voie nerveuse

nous ne détaillerons pas ce point qui fera l’objet d’un chapitre important en physiologie animale. Retenons cependant que l’influx nerveux se propage le long de l’axone de cellules particulières s’il y a eu un stimulus suffisant à l’origine, appelé potentiel d’action.

Ce potentiel d’action entraîne  une modification de la polarisation de la membrane qui se déplace le long de la membrane Synaptique depuis les dendrites jusqu’au bouton synaptique.

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La continuité de la propagation entre neurones se fait au niveau de l’hiatus situé entre boutons synaptiques et extrémité des dendrites.

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C’est à ce niveau que les membranes pré et post synaptiques possèdent des fonctions particulières.

Mécanisme de la transmission chimique de l’influx nerveux. 

La membrane présynaptique libère par exocytose des molécules appelées neurotransmetteurs ( acétylcholine , adrénaline ) dans la zone intersynaptique ( hiatus ).Ce neurotransmetteur viendra se fixer sur son récepteur spécifique se trouvant sur la membrane postsynaptique.

Cas concret : récepteur de l’acétylcholine.

Il s’agit d’une protéine pentamérique.Lorsque deux molécules de ligand se fixent sur certains monomère de la protéine récepteur,Celle-ci subit une transformation allostérique et au centre du récepteur s’ouvre un canal ionique  plus ou moins spécifique pour le Sodium.L’entrée de Sodium au niveau de la membrane post synaptique initiera ainsi l’apparition d’une zone de dépolarisation de la membrane générateur d’un courant électrique à l’origine de l’influx nerveux.

Le récepteur en conformation ouverte passera rapidement en conformation dite insensible avant de revenir à sa conformation fermée initiale.

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1.7.2.2 Le transfert d’information par voie humorale

Ces notions seront vues beaucoup plus en détail en physiologie animale.Les hormones modifient profondément le fonctionnement cellulaire. Elles sont apportées aux cellules par le sang puis par les liquides intracellulaires . Toutes les cellules ne réagissent pas à une hormone donnée. Le glucagon fabriqué par certaines cellules du pancréas  active d’une manière spécifique les cellules
hépatiques. Elle active la glycogénolyse.On peut néanmoins donner une approchenclassique du mécanisme d’action des hormones.

A)   Phase intramembranaire

Site récepteur

Dans un tel système, la membrane est apte à reconnaître l’information , c’est à dire à savoir si l’information concerne la cellule qu’elle limite. Cette reconnaissance dépend d’un site récepteur localisé dans la partie externe de la membrane. On admet que le récepteur a une forme complémentaire de l’hormone.

Partie amplificatrice

Le récepteur se combine ensuite à l’hormone : le complexe obtenu déclenche le fonctionnement d’une autre substance intramembranaire, l’adényl-cyclase , qui amplifie le signal chimique reçu. C’est le contact avec le récepteur lié à son hormone qui rend l’adényl cyclase active.

Transducteur

Ce contact serait établi par l’intermédiaire d’un transducteur de nature lipidique.

A. Phase membranaire

L’adényl cyclase  activée transforme l’ATP en AMP cyclique, et transporte l’information d’origine hormonale à l’intérieur de la cellule. Une cellule est sensible à des concentration de 10-8 à 10-12Mol  . La concentration d’AMP cyclique produit est de 10-3  . Le facteur d’amplification est donc de 105 à 109 .Dans le cas du glucagon, l’AMPcyclique active une enzyme , la phosphorylase , responsable de la glycogénolyse, c’est à dire de la dégradation biologique du glycogène en  glucose.L’activité de l’AMP cyclique est contrôlée par une phosphodiestérase, qui transforme l’AMP cyclique en  un produit inactif , le 5’ AMP.Notons , que certaines hormones n’agissent pas au niveau de la membrane avec production d’un second messager (l’AMPc ) mais directement au niveau du noyau, c’est le cas des hormones stéroïdes.


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I.7.2.3 Reconnaissance des cellules entre elles

Toutes les cellules d’un même organisme portent sur leur membrane plasmique des protéines appelées antigéniques ou marques du soi . Ces protéines présentent un très grand polymorphisme car leur synthèse est placée sous le contrôle de gènes comportant de très nombreux allèles.

Il s’agit du complexe majeur d’histocompatibilité (CMH) qui chez l’homme porte le nom spécifique de système HLA.

Le rôle biologique actuellement proposé  est la présentation de l’antigène ( classe I) au cours de la reconnaissance spécifique par les lymphocytes T  ( classe II). Le grand degré de diversité explique pourquoi il est très difficile de trouver deux personnes non apparentées HLA identiques.

Les protéines du CMH constituent 1% des protéines membranaires.

Grossièrement, les molécules du CMH humain ou HLA sont groupées en molécules de classe I ( toutes les cellules de l’organisme ) et de classe II ( macrophages, lymphocytes B). Ces deux types de molécules émergent à la surface des membranes cellulaires et n’induisent pas de réaction de la part des lymphocytes.

Par contre, ces sortes d’antennes présentent en quelque sorte toute protéine étrangère ou issue de cellules vieillissantes  de manière à alerter le système immunitaire.  























 

 


 


 

 

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Date de dernière mise à jour : 27/05/2015