Les transports membranaires

Introduction

La membrane plasmique n'est pas une barrière étanche : elle possède une perméabilité CONTRÔLÉE, qui s'explique par la présence des protéines membranaires. C'est ce contrôle qui rend compte des différences de concentration de nombreux ions et petites molécules entre le cytosol et le milieu extracellulaire. L'intérêt de ce chapitre est fondamental pour toute la médecine. Le potentiel de membrane, base de l'activité nerveuse et musculaire, découle directement du fonctionnement de la pompe Na⁺/K⁺ et des canaux ioniques. Les digitaliques, les diurétiques, les anesthésiques locaux, les antiépileptiques agissent tous sur des transporteurs membranaires. Enfin, l'endocytose par récepteur explique aussi bien l'absorption du cholestérol que la physiopathologie de l'hypercholestérolémie familiale. Nous verrons d'abord la perméabilité de la bicouche, puis le transport passif — sans puis avec transporteur —, le transport actif, et enfin le transport des macromolécules et particules par endocytose et exocytose.

I. Perméabilité de la bicouche lipidique

Considérons d'abord une membrane artificielle composée uniquement de lipides.

• Elle est PERMÉABLE : aux molécules hydrophobes (O₂, N₂, benzène) et aux petites molécules polaires (H₂O, CO₂, glycérol, éthanol). Plus la molécule est petite, moins elle forme de liaisons hydrogène avec l'eau, et plus elle diffuse à travers la bicouche.
• Elle est IMPERMÉABLE : aux grosses molécules polaires non chargées (glucose, saccharose) et aux molécules chargées (acides aminés, ions), en raison de leur hydratation.

Deux critères permettent de classer les transports à travers la membrane plasmique réelle : la consommation ou non d'énergie, et l'utilisation ou non de transporteurs protéiques.

II. Le transport passif sans transporteur : la diffusion simple

C'est le cas de l'O₂, du CO₂, du NO, de l'éthanol et de l'urée.

• Il se fait dans le sens du gradient de concentration, sans consommation d'énergie.
• Le franchissement se fait à travers la bicouche lipidique elle-même.
• La vitesse dépend : de la taille de la molécule (plus elle est petite, plus la diffusion est rapide) et du coefficient de partition huile/eau (plus la molécule est liposoluble, plus la diffusion est élevée).

III. Le transport passif par transporteur

A. Les canaux ioniques

• Un canal ionique est constitué d'une protéine ou de plusieurs sous-unités formant un pore hydrophile.
• Le canal est SPÉCIFIQUE d'un ion donné.
• Il peut être ouvert ou fermé selon deux modalités : soit par changement conformationnel de la protéine-canal, qui rétrécit ou élargit le pore ; soit par l'intermédiaire d'une structure bloquante.
• Les canaux potentiel-dépendants — canaux Na⁺, K⁺, Ca²⁺, Cl⁻ — dont l'ouverture et la fermeture sont contrôlées par la modification du potentiel de membrane.
• Les canaux ligand-dépendants, dont l'ouverture dépend de la fixation d'un ligand. Le site de fixation peut être sur la face extracellulaire (l'acétylcholine au niveau de la plaque motrice) ou sur la face cytosolique (Ca²⁺, protéine G, IP₃).
• Les canaux mécano-dépendants, ouverts par une déformation mécanique de la membrane (voir les cils stéréoscopiques).

B. Les aquaporines (AQ)

• Découvertes chez le xénope en 1992 par Peter Agre, qui reçut le prix Nobel de chimie 2003 pour cette découverte. Environ 200 aquaporines sont aujourd'hui connues, dont une dizaine chez l'homme.
• Ce sont des protéines intégrées formant un canal aqueux, impliquées dans le transport d'eau et de petites molécules non chargées.
• Elles permettent des mouvements rapides dans certaines cellules : globules rouges, cellules rénales, plexus choroïdes.

C. Le transport facilité

Certaines molécules hydrophiles — sucres simples, acides aminés, nucléosides — traversent la MP plus rapidement que ne le laisserait prévoir leur coefficient de partition. Cela s'explique par l'intervention de protéines de transport, les perméases. Exemple du transporteur GLUT1 du glucose au niveau du globule rouge. Chez les mammifères, le transport du glucose est assuré par 5 perméases connues selon le type cellulaire ; GLUT1 est localisé dans la MP du globule rouge.

• Il se fait dans le sens du gradient de concentration ; la force nécessaire provient uniquement du gradient chimique du glucose, plus concentré à l'extérieur.
• Il est contrôlé par la baisse intracellulaire du glucose, qui déclenche une augmentation des transporteurs GLUT1. La concentration cytosolique reste toujours inférieure à l'extracellulaire, car le glucose est métabolisé dès sa pénétration.
• Il est SPÉCIFIQUE : le site de fixation doit avoir une conformation complémentaire de la molécule. Ainsi le D-glucose est transporté, le L-glucose ne l'est pas.
• Le transporteur se comporte comme une enzyme vis-à-vis de son substrat : la vitesse de transport augmente puis atteint un plateau (Vmax), traduisant un phénomène de SATURATION — tous les transporteurs sont occupés.
• Modèle moléculaire : le transporteur oscille entre deux conformations, le site de fixation étant alternativement accessible au milieu extracellulaire (pong) puis au milieu intracellulaire (ping). C'est le cycle association-dissociation du glucose qui provoque le changement de conformation.

IV. Le transport actif

Il s'effectue CONTRE le gradient de concentration, donc contre une barrière énergétique : il doit être couplé à une réaction exergonique, utilisant généralement l'ATP. On distingue deux groupes selon la source d'énergie.

A. Le transport actif par une ATPase : les pompes ioniques

Ce sont la Na⁺/K⁺-ATPase, la H⁺-ATPase, la Ca²⁺-ATPase et la K⁺-ATPase. Exemple de la pompe Na⁺/K⁺. La concentration du Na⁺ est 10 à 20 fois plus élevée à l'extérieur de la cellule, et c'est l'inverse pour le K⁺. Le transfert de ces deux ions est assuré en permanence par une ATPase membranaire, à la fois transporteur et enzyme.

• L'ATPase est un tétramère α₂β₂. La grosse sous-unité possède un site de fixation et d'hydrolyse de l'ATP situé sur la face cytosolique.
• L'hydrolyse de l'ATP, et donc le transport, ne peut s'effectuer qu'en PRÉSENCE DES DEUX IONS : les deux transports sont étroitement couplés.
• Pour chaque molécule d'ATP : 3 Na⁺ sont pompés vers l'extérieur contre 2 K⁺ vers l'intérieur.
• La pompe est bloquée par l'ouabaïne, qui entre en compétition pour le site K⁺ ; le site de fixation de cet inhibiteur est situé sur la face extracellulaire de la sous-unité α.

Mécanisme moléculaire, en quatre étapes :

• Phosphorylation de l'enzyme (phosphate issu de l'hydrolyse de l'ATP) en présence de Mg²⁺ et de 3 Na⁺ fixés sur des sites accessibles du côté cytosolique.
• Changement de conformation ramenant ces sites du côté extracellulaire, avec libération des 3 Na⁺.
• Fixation de 2 K⁺ sur leurs sites, devenus accessibles sur la face extracellulaire.
• Déphosphorylation de l'enzyme, nouveau changement de conformation ramenant les sites K⁺ du côté cytosolique ; le largage des K⁺ permet à l'enzyme de reprendre sa conformation initiale.

• Fonctions de la pompe Na⁺/K⁺ : maintien des gradients Na⁺ et K⁺ responsables du potentiel de membrane ; fonctionnement des canaux ioniques potentiel-dépendants ; contrôle du volume cellulaire ; fonctionnement du symport Na⁺/glucose.

B. Les co-transports

C'est un système dans lequel un transport actif est couplé à un transport passif. L'énergie est stockée dans un gradient ionique, le plus souvent sodique.

• Les symports : les deux transports se font dans le même sens. Exemple du symport Na⁺/glucose de l'entérocyte : la membrane apicale contient des symports ; le Na⁺, entrant grâce à son gradient maintenu par la pompe Na⁺/K⁺, entraîne avec lui le glucose contre le gradient de ce dernier. Le glucose quitte ensuite la cellule au pôle latéro-basal par transport facilité. Ce transport est inhibé par l'ouabaïne.
• Les antiports : les deux transports s'effectuent en sens inverse ; le transporteur est appelé échangeur. L'échangeur Na⁺/H⁺ transporte passivement le Na⁺ et activement le H⁺ : il règle le pH cellulaire. L'échangeur Cl⁻/HCO₃⁻ combine une co-pénétration de Na⁺ et HCO₃⁻ à une co-sortie de Cl⁻ et H⁺.
• Nota : un uniport transporte une seule molécule ou un seul ion.

V. Transport des macromolécules et des particules

Une macromolécule a un poids moléculaire compris entre 10 000 et 1 million de daltons (protéines, polynucléotides, polysaccharides). L'endocytose au sens large comprend la pinocytose (liquide) et la phagocytose (solide). Les étapes morphologiques sont pour la plupart submicroscopiques : seul le MET permet de les visualiser.

A. L'endocytose par vésicules non recouvertes : la pinocytose

• Du grec « pinein », boire. Les éléments à ingérer, en suspension dans le liquide péricellulaire, sont piégés dans des régions où la MP se déprime, se creuse puis se pince, formant une vésicule lisse d'endocytose de 150 nm.
• Cette vésicule peut soit livrer son contenu à la cellule, soit traverser la cellule et libérer son contenu par exocytose : c'est la TRANSCYTOSE, observée au niveau des cellules endothéliales.

B. L'endocytose par récepteurs, avec vésicules recouvertes de clathrine

Dans la majorité des cellules animales, la capture de macromolécules se fait par l'intermédiaire de récepteurs spécifiques.

• Morphologie : les récepteurs, après liaison à leur ligand, se concentrent dans des régions particulières de la MP, les puits recouverts (PR) ; le puits se déprime, se pince, puis bourgeonne en une vésicule recouverte (VR). Sur coupe mince, la face cytosolique apparaît tapissée d'« épines » ; sur réplique, la couverture forme un réseau à mailles hexagonales et pentagonales.
• La clathrine se présente sous forme d'un complexe de 3 chaînes longues et 3 chaînes courtes formant une structure à 3 branches : le TRISKÉLION, visible en MET après ombrage. Comme les 3 branches forment un angle, la couverture adopte une forme sphérique. In vitro, les triskélions s'auto-assemblent en corbeilles polygonales.
• La β-adaptine est un hétérodimère qui, en s'associant d'abord aux triskélions, leur permet de se lier à la MP.
• Les récepteurs sont des glycoprotéines transmembranaires dont le domaine cytosolique contient une séquence reconnue par les adaptines.
• La dynamine assure la fermeture de la vésicule et son détachement.
• Les protéines HSP (heat shock proteins) font perdre son revêtement à la vésicule au cours de son transport intracellulaire.
• Nota : l'endocytose par vésicules de clathrine permet à la fois la sélection ET la concentration du ligand ; une vésicule recouverte contient environ 1 000 complexes récepteur-ligand.

C. Exemple : l'importation du cholestérol

• Insolubles dans les liquides de l'organisme, les molécules de cholestérol sont empaquetées dans le foie en particules lipoprotéiques de faible densité, les LDL (low density lipoproteins).
• La particule LDL est sphérique, de 22 nm de diamètre et de PM 3 000 kD : une monocouche périphérique de phospholipides et de cholestérol, une partie centrale d'esters de cholestérol, le tout associé à une volumineuse protéine de 500 kD, l'apo-B-protéine, qui permet l'organisation de la particule et sa fixation sur le récepteur.
• Le récepteur de LDL est une protéine membranaire intégrée : l'extrémité extracellulaire est le site de liaison au ligand, la partie cytosolique se lie à la β-adaptine.
• Quand la cellule a besoin de cholestérol, elle synthétise des récepteurs de LDL qui gagnent la MP ; plusieurs complexes récepteur-LDL convergent vers un puits recouvert, qui se déprime puis bourgeonne. La vésicule, après avoir perdu sa couverture, fusionne avec un endosome précoce.

D. La phagocytose

Du grec « phagein », manger. C'est l'endocytose d'éléments solides (micro-organismes, débris cellulaires) de diamètre ≈ 1 μm. Contrairement à la pinocytose, elle est visible au microscope photonique et n'est le fait que de cellules spécialisées : le polynucléaire neutrophile (bactéries) et le macrophage (particules, débris cellulaires, globules rouges sénescents).

• 1. Phase d'adhérence. La particule se lie à la surface cellulaire grâce aux molécules d'adhérence (CAM, SAM). Elle est favorisée par l'OPSONISATION : dès sa pénétration, des anticorps (IgG) entourent la bactérie en se liant à ses antigènes de surface ; la bactérie opsonisée adhère plus facilement au polynucléaire, dont la MP possède des récepteurs pour les immunoglobulines.
• 2. Phase rhéologique (écoulement de la matière). Réorganisation d'une large surface de MP et du cytoplasme sous-jacent en pseudopodes, qui fusionnent autour de la bactérie « à la manière d'une fermeture éclair », formant une vacuole de phagocytose ou PHAGOSOME.
• 3. Phase de digestion. Le phagosome est transporté vers un endosome tardif avec lequel il fusionne pour former un PHAGOLYSOSOME, où se fera la destruction de la bactérie.
• La cytochalasine B inhibe la phagocytose mais PAS la pinocytose — argument en faveur du rôle des microfilaments d'actine dans la formation des pseudopodes.

E. L'exocytose

• C'est le processus par lequel la cellule sécrète dans le milieu extracellulaire des molécules contenues dans des vésicules de transport, dont la plupart sont d'origine golgienne.
• Le déplacement de la vésicule vers la MP implique le cytosquelette cortical ; la fusion fait intervenir des protéines G et s'accompagne d'une hydrolyse de GTP.

Conclusion

La membrane plasmique organise les échanges selon deux critères simples : consommation ou non d'énergie, et présence ou non d'un transporteur. La diffusion simple ne concerne que les molécules hydrophobes ou petites et polaires ; les canaux, aquaporines et perméases accélèrent le passage des molécules hydrophiles, toujours dans le sens du gradient ; seuls les transports actifs — pompes ATPasiques et co-transports — permettent de franchir le gradient et créent ainsi les asymétries ioniques dont dépend toute la physiologie cellulaire. Le passage des macromolécules obéit à une logique différente : la membrane ne les laisse pas traverser, elle les englobe. Pinocytose, endocytose par récepteur avec vésicules de clathrine et phagocytose en constituent les trois modalités, l'exocytose en réalisant le mouvement inverse. Ces vésicules ne circulent pas au hasard : elles gagnent les compartiments du système endomembranaire — endosomes, lysosomes — que nous étudierons plus loin, après avoir décrit les différenciations de la membrane plasmique.