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-
- \textbf{Introduction.}
- Les cellules vivantes (animales et végétales) sont les éléments de
- base de différents organes, eux-mêmes constituants des organismes
- animaux ou végétaux. Ces éléments de base que sont les cellules sont
- séparés entre eux, aussi bien que de l'extérieur des organes, par des
- membranes qui sont majoritairement constituées de lipides (molécules
- majoritairement hydrophobes). Au-delà de ces membranes séparatrices de
- cellules et organes, appelées membranes plasmiques, d'autres membranes
- entourent les organites intra-cellulaires comme le noyau, les
- mitochondries et constituent aussi l'essentiel du réticulum
- endoplasmique, ainsi que l'Appareil de Golgi (Figure 1). Toutes ces
- membranes ont en commun d'être essentiellement lipidiques pour «faire
- frontière» avec le milieu aqueux, extra- et intra-cellulaire.
- L'article ci-dessous s'attachera aux membranes animales, évitant la
- complexité qui existe chez les cellules végétales où la membrane
- plasmique est doublée d'une paroi cellulosique, de nature complètement
- différente puisque constituée essentiellement de cellulose, un
- polymère de β-glucose hydrophile.
- \includegraphics[width=5.65743in,height=4.24494in,alt={mybiologie: Procaryote ou eucaryote}]{lagarde-media/media/image1.png}
- \textbf{Figure 1.} Ce schéma de cellule animale met en évidence la
- membrane plasmique (appelée ici membrane cellulaire) qui sépare les
- cellules d'un même organe et d'un organe à l'autre. Les milieux
- extracellulaire et intracellulaire sont essentiellement aqueux, donc
- polaires ou hydrophiles, alors que les membranes sont essentiellement
- lipidiques, donc hydrophobes. On voit aussi des membranes qui
- entourent les organites intracellulaires, tels que noyau et
- mitochondries (dont il sera question en fin d'article)
- Les ports cellulaires sont des entités protéiques, essentiellement
- présents dans les membranes plasmiques, pour contrôler le passage de
- molécules hydrophiles de part et d'autre de ces membranes hydrophobes.
- Le terme de «port» indique la fonction de contrôle (de l'extérieur
- vers l'intérieur de la cellule ou l'inverse) qu'exerce un «canal»
- protéique, terme générique pour ces échanges (extérieur/intérieur)
- plus ou moins contrôlés. Ainsi, on distinguera les uniports,
- permettant le passage d'un seul type de molécule, les antiports,
- contrôlant le passage inverse et concomitant de deux molécules
- différentes et, les symports, facilitant le passage simultané dans la
- même direction de deux molécules différentes (Figure 2).
- \includegraphics[width=4.25595in,height=2.76646in,alt={Active Transport - GeeksforGeeks}]{lagarde-media/media/image2.png}
- \textbf{Figure 2.} Ce schéma montre les trois types de ports
- cellulaires qui seront présentés, avec un exemple moléculaire pour
- chacun. Ces ports sont des protéines plus ou moins complexes, qui sont
- insérées dans la bicouche lipidique représentée en couleur
- bleu-claire. Comme pour toute membrane cellulaire, la partie
- hydrophile d'une monocouche lipidique est représentée par un cercle ou
- sphère portant deux chaînes lipidiques (très hydrophobes), permettant
- l'assemblage des deux couches en un ensemble «séparateur» de milieux
- aqueux ou hydrophiles.
- \textbf{Exemple d'uniport pour le glucose.}
- Le glucose est une petite molécule (poids moléculaire: 180) très
- hydrophile puisque sa structure «simplifiée» correspond à six
- carbones oxygénés, dont cinq sous forme d'alcool (Figure 3).
- \includegraphics[width=1.59524in,height=1.58606in,alt={The Role of Glucose in Energy Production \textbar{} The Science Blog}]{lagarde-media/media/image3.png}
- \textbf{Figure 3.} Représentation chimique d'une molécule de glucose.
- Sa forme circulante principale est cyclique (α- et β-glucose) la forme
- β étant majoritaire. Ses nombreux groupements alcools (-OH) le rendent
- très hydrophile.
- Le glucose est le nutriment majeur des cellules animales, leur
- permettant notamment d'obtenir leur énergie de fonctionnement (sous
- forme d'adénosine triphosphate: ATP) au cours de sa dégradation.
- Plusieurs types de ports ont été caractérisés pour l'entrée du glucose
- dans les cellules animales, avec quelques différences de structure
- et/ou de fonctionnement selon l'organe concerné. Sur les douze
- transporteurs de glucose (GLUT/\emph{glucose transporter}) recensés,
- le transporteur 4 ou GLUT4 sera pris comme exemple ci-dessous, en
- raison de sa grand importance énergétique (présence dans les tissus
- adipeux et musculaires) et de sa sensibilité à l'insuline, hormone
- majeure du contrôle glycémique (la glycémie représentant le taux
- sanguin de glucose, avec l'hyperglycémie comme marqueur circulant du
- diabète). La figure 4 schématise l'entrée cellulaire du glucose
- \emph{via} GLUT4, uniport régulé par l'insuline. Cette régulation par
- l'insuline a lieu \emph{via} un récepteur spécifique, inopérant dans
- les cellules pathologiques (qui n'y répondent pas ou mal) ce qui
- caractérise le diabète de type-2. Le diabète de type-2 correspond à
- environ 90\% du syndrome diabétique chez l'Homme. Chez les diabétiques
- de type-1, le GLUT4 fonctionne normalement (sensibilité normale à
- l'insuline), mais la production pancréatique de cette hormone est
- anormale, voire absente.
- \includegraphics[width=3.13072in,height=2.2873in,alt={Diabète non insulino-dépendant, diabète de type 2, DNID : symptômes, traitement, définition - docteurclic.com}]{lagarde-media/media/image4.jpeg}
- \textbf{Figure 4.} Ce schéma montre deux cellules, l'une normale (en
- haut) répond à l'insuline (sécrétée par le pancréas) et l'autre
- anormale (en bas) ne répond pas à l'insuline (diabète de type-2),
- pourtant bien sécrétée par le pancréas. Cette absence de réponse à
- l'insuline, due à un défaut de son récepteur (non explicité ici), se
- traduit par l'absence d'ancrage du GLUT4 dans la membrane, à l'inverse
- de la situation normale (en haut).
- \textbf{Exemple d'antiport: échange potassium/sodium.}
- L'ion potassium (K\textbf{\textsuperscript{+}}) est majoritaire dans
- les cellules animales, comparativement au plasma sanguin, situation
- inverse de celle de l'ion sodium (Na\textbf{\textsuperscript{+}}).
- Pour éviter la sortie de K\textbf{\textsuperscript{+}} de la cellule
- au profit de l'entrée du Na\textbf{\textsuperscript{+}}, en réponse à
- leur différence de concentrations de part et d'autre de la membrane,
- un antiport permet l'entrée permanente du premier et la sortie
- concomitante du deuxième. Cet antiport est aussi appelé
- Na\textbf{\textsuperscript{+}}/K\textbf{\textsuperscript{+}} ATPase ou
- pompe Na\textbf{\textsuperscript{+}}/K\textbf{\textsuperscript{+}},
- car cette entrée et sortie concomitante est permise grâce à l'énergie
- associée à l'hydrolyse d'ATP par l'enzyme de dégradation ATPase. Pour
- des raisons de tailles relatives des ions
- K\textbf{\textsuperscript{+}} et Na\textbf{\textsuperscript{+}}, deux
- ions K\textbf{\textsuperscript{+}} entrent dans la cellule en même
- temps que trois ions Na\textbf{\textsuperscript{+}} en sortent. La
- liaison de Na\textsuperscript{+} et K\textsuperscript{+} à l'antiport,
- se fait aussi par des liaisons différentes (Figure 5).
- \includegraphics[width=4.625in,height=2.59596in,alt={Mécanismes énergétiques liés au fonctionnement de la pompe Na+-K+ - Annale corrigée, ancien programme \textbar{} Annabac}]{lagarde-media/media/image5.png}
- \textbf{Figure 5.} Schéma de l'antiport
- Na\textbf{\textsuperscript{+}}/K\textbf{\textsuperscript{+}}, ancré
- dans une membrane plasmique, permettant l'échange de 3 atomes de
- sodium (Na\textsuperscript{+}) avec 2 atomes de potassium
- (K\textsuperscript{+}), chacun étant représenté sous forme ionique
- (perte d'un électron), forme normale permettant l'association avec un
- atome ionisé négatif comme le chlore (Cl\textbf{\textsuperscript{-}}),
- comme dans le sel (NaCl) par exemple. La figure montre clairement que
- l'échange Na\textsuperscript{+}/K\textsuperscript{+}, \emph{via} des
- sites de liaison différents sur l'antiport, est permis grâce à
- l'énergie associée à l'hydrolyse de l'ATP en ADP + Pi (phosphate
- inorganique). L'encart droit de la figure donne de plus l'exemple des
- concentrations normales des deux ions (facteur 10 entre elles) et en
- réponse à l'inhibition de l'hydrolyse de l'ATP (en présence de
- digitaline par exemple), où ce facteur 10 entre les concentrations est
- presque annulé.
- \textbf{Exemple de symport pour l'entrée cérébrale d'un acide gras
- essentiel (DHA).}
- Le cerveau est un organe très chargé en lipides, le deuxième le plus
- lipidique après le tissu adipeux, l'adipocyte étant le lieu de
- stockage des lipides pour leur utilisation énergétique ultérieure.
- Contrairement au tissu adipeux, les lipides cérébraux ne sont pas
- utilisés comme réserve énergétique, mais comme éléments fonctionnels.
- Parmi ces lipides, un composant majoritaire (à l'inverse de tous les
- autres organes) est l'acide docosahexaénoïque (22 carbones avec 6
- double liaisons) ou DHA (\emph{docosahexaenoic acid}), qui est
- particulièrement important pour le fonctionnement neuronal. Son entrée
- dans le cerveau à partir de la circulation sanguine a lieu au niveau
- de ce qu'il est convenu d'appeler la barrière hémato-encéphalique/BHE
- ou hémato-méningée, ce nom de «barrière» indiquant la présence de
- «jonctions serrées» dans les capillaires sanguins cérébraux. Cette
- entrée très contrôlée est une caractéristique du cerveau qui se
- protège de toute molécule non requise. Le passage du DHA est facilité
- par un symport qui le fait passer sous forme d'ester polaire (appelé
- Lyso-phosphatidyl-choline-DHA ou LPC-DHA, schématisé sur la figure 6)
- en même temps qu'un ion sodium (Na\textsuperscript{+}). La figure 7
- schématise le fonctionnement de ce symport.
- \includegraphics[width=1.79742in,height=1.79742in]{lagarde-media/media/image6.png}
- \includegraphics[width=4.37143in,height=2.31003in,alt={Mfsd2a: A Physiologically Important Lysolipid Transporter in the Brain and Eye \textbar{} SpringerLink}]{lagarde-media/media/image7.png}
- \textbf{Figure 6} (à gauche). Représentation chimique en deux
- dimensions du DHA (chaîne polyinsaturée avec 6 double liaisons),
- couplé (estérifié) à la partie polaire de glycéro-phospho-choline,
- contenant les atomes polaires d'oxygène, ainsi que de phosphore et
- d'azote, respectivement chargés négativement (phosphate) et
- positivement (amine quaternaire). Le nom abrévié de l'ensemble est:
- LPC-DHA.
- \textbf{Figure 7} (à droite). Schéma du symport (représenté par un
- ensemble protéique à deux entités de couleur jaune), changeant de
- forme pour permettre le passage simultané de LPC-DHA (LPC sur la
- figure) et d'un ion sodium (Na+) du milieu extracellulaire au
- cytoplasme pour le sodium et à la couche interne membranaire pour LPC.
- LPC se trouve ainsi intégré à la membrane interne où il subit quelques
- modifications chimiques avant d'être intégré à différentes parties
- cérébrales (partie fonctionnelle ultérieure non décrite ici).
- \textbf{Autres canaux membranaires importants.}
- Comme mentionné en introduction, d'autres «canaux» cellulaires sont
- présents pour l'entrée ou la sortie d'éléments indispensables au
- fonctionnement de la plupart des cellules. On peut citer les canaux
- calciques, souvent voltage-dépendants, présents dans les cellules
- animales pour accompagner ou déclencher leur activation.
- On peut également citer des canaux nucléaires, ou pores appelés
- nucléoporines, permettant à l'ARNm (acide ribonucléique messager),
- synthétisé à l'intérieur du noyau en copie de l'ADN (phase appelée
- transcription), de passer du noyau au cytoplasme. Cet ARNm, devenu
- cytoplasmique, peut alors être traduit en protéine (phase de
- traduction).
- Un troisième exemple caractéristique peut être cité avec le
- transporteur protéique du
- pyruvate/CH\textsubscript{3}-CO-COO\textsuperscript{-}, (produit à
- partir du glucose dans le cytoplasme selon 1 glucose → 2 pyruvates).
- Ce transporteur protéique permet au pyruvate d'entrer dans la
- mitochondrie pour y être dégradé en H\textsubscript{2}O et
- CO\textsubscript{2} et former l'ATP, la source énergétique des
- cellules. Cette dégradation intra-mitochondriale est énergétiquement
- la plus importante pour la formation d'ATP cellulaire.
- \textbf{Conclusion.}
- Cet article «résume» un processus biologique très important qui
- correspond aux échanges entre cellules d'un même organe et entre les
- différents organes rassemblant ces cellules. Ces échanges entre
- milieux aqueux, ayant lieu au niveau des membranes cellulaires,
- essentiellement lipidiques, sont permis grâce à des «canaux»
- protéiques ancrés dans les membranes. Ces «canaux» sont presque
- aussi nombreux que les entités hydrophiles qui traversent ces
- membranes. Beaucoup de ces canaux sont très contrôlés, ce qui leur a
- donné le terme de «ports» membranaires. Les trois exemples
- d'uniport, antiport et symport présentés, illustrent bien la
- complexité biologique associée à la physiologie cellulaire, voire à sa
- physiopathologie.
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