Introduction - neur-one.fr · Modes de transport membranaire Passage de la membrane par diffusion simple ... pores permettant le mouvement passif d'ions (canaux ioniques) ou de molécules

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La cellule, ses organites et leurs fonctions La cellule, ses organites et leurs fonctions Transport membranaire Transport membranaire

D’après http://www.ulysse.u-bordeaux.fr/atelier/ikramer/biocell_diffusion/index.htm

Le caractère hydrophobe de la double couche lipidique permet à la cellule de maintenir des concentrations de solutés différentes de part et d'autre de la membrane, c'est-à-dire entre cytoplasme et milieu extracellulaire et ceci est vrai pour chaque compartiment cellulaire (mitochondrie, lysosome, réticulum endoplasmique, etc). La séparation des compartiments définis par la membrane ne doit cependant pas être totale et des échanges moléculaires sont nécessaires à la vie cellulaire. Les cellules ont ainsi développé des systèmes de transport d'ions et de macromolécules faisant intervenir des protéines membranaires : transporteurs, pompes ou canaux.

Dans cette ressource nous décrirons les différents transporteurs regroupés selon les fonctions physiologiques dans lesquelles ils interviennent.

Introduction

Le caractère hydrophobe de la double couche lipidique permet à la cellule de maintenir des concentrations de solutés différentes de part et d'autre de la membrane, c'est-à-dire entre cytoplasme et milieu extracellulaire et ceci est vrai pour chaque compartiment cellulaire (mitochondrie, lysosome, réticulum endoplasmique, etc.). La séparation des compartiments définis par la membrane ne doit cependant pas être totale et des échanges moléculaires sont nécessaires à la vie cellulaire. Les cellules ont ainsi développé des systèmes de transport d'ions et de macromolécules faisant intervenir des protéines membranaires : transporteurs, pompes ou canaux.

Les raisons pour lesquelles les cellules ont besoin de ces protéines de transport membranaire sont les suivantes :

1. approvisionnement en métabolites,

2. élimination des déchets métaboliques,

3. maintien de concentrations ioniques bien définies.

Modes de transport membranaire Passage de la membrane par diffusion simple

Ce mode de transport ne fait pas intervenir de protéines membranaires. Il est limité aux gaz (N2, O2, CO2, NO), aux molécules lipophiles (hormones stéroïdes et thyroïdiennes, urée, éthanol, etc.) et, dans certaines limites, à H2O.

Passage de la membrane par protéines de transport

La diffusion par un transporteur augmente très largement la vitesse et la sélectivité de transport par rapport à la diffusion simple. Le transporteur de glucose (la perméase GLUT1) illustre bien ces deux aspects. Si on compare la diffusion passive à la diffusion facilitée, la différence en efficacité du transport membranaire est manifeste.

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Figure 1. Efficacité du transport membranaire http://www.ulysse.u-bordeaux.fr/atelier/ikramer/biocell_diffusion/gbb.cel.fa.102.b3/content/anim/anim01.swf

La spécificité est illustrée ici par le fait que ce transporteur qui a besoin de 1,5 mM de D-glucose pour fonctionner à 50% (Km) de sa capacité maximale (Vmax), nécessite plus de 2000 fois plus de L-glucose pour un transport équivalent de cet isomère (http://www.ulysse.u-bordeaux.fr/atelier/ikramer/biocell_diffusion/gbb.cel.fa.102.b3/content/anno0204.htm ). De même, pour le D-mannose ou le D-galactose il lui faut respectivement 20 et 30 mM. Ainsi, lorsque ces glucides sont tous présent à une concentration d'environ 5 mM, le D-glucose passera préférentiellement.

Figure 2. Spécificité du transport membranaire par Glut1

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La diffusion par un transporteur permet également de transporter les solutés contre leur gradient chimique (concentration) et électrique (différence de potentiel membranaire). Le transport réalisé contre le gradient électrique ou chimique consomme de l'énergie et on parle alors de transport actif. Le transport actif permet le maintien de concentrations de solutés différentes de part et d'autre de la membrane.

Il y a trois principales classes de protéines membranaires de transport :

• Les canaux, pores permettant le mouvement passif d'ions (canaux ioniques) ou de molécules de petite taille (H2O, glucides, acides aminés, nucléotides) avec une capacité de transport d'environ 107 à 108 molécules/sec.

• Les pompes, avec une capacité de transport actif d'environ 102 à 103 ions/sec. Ce sont des protéines qui hydrolysent l'ATP et qui sont donc qualifiées d'ATPases. Ce type de transport est dénommé « transport actif primaire ».


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• Les transporteurs qui assurent un transport passif (uniport) ou actif (symport et antiport) avec une capacité de transport 102 à 104 molécules/sec. Ce transport actif nécessite la constitution préalable d'un gradient ionique (par une pompe) et est aussi dénommé « transport actif secondaire ».

Les canaux

Figure 3. Comportement des molécules sans charge nette


Les canaux sont des véritables pores constitués d'une (comme la glucose perméase GLUT et le canal de Cl-), ou plusieurs sous-unités protéiques transmembranaires (comme le canal Na+, le canal K+ ou la jonction Gap).

Figure 4A. Comportement des molécules avec charge nette


Le passage à travers la membrane nécessite peu de changements de configuration de la protéine de transport. La sélectivité de transport dépend de la nature des canaux. Pour les canaux ioniques le passage semble être déterminé par deux paramètres : les forces électrostatiques à l'intérieur du canal et le diamètre du pore. Les ions qui entrent perdent la plupart des interactions électrostatiques avec l'eau et établissent de nouvelles interactions avec le pore.

L'intérieur des canaux anioniques (comme Cl-) est faiblement positif et celui des canaux cationiques (comme K+) est faiblement négatif. L'ion est alors attiré par la faible charge opposée et se positionne au milieu du canal dans un environnement électrostatique favorable. Il traversera complètement à la suite de l'entrée d'autres ions de même charge qui le repousseront vers l'autre coté du canal (figure 4A). Le mécanisme proposé justifie le principe du passage des ions en fonction de leur gradient de concentration. La différence de potentiel électrique au travers de la membrane (potentiel de membrane) joue aussi un rôle important parce qu'elle peut s'opposer à la sortie des ions, constituant une force de répulsion en direction opposée au passage. La




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résultante est nommée gradient électrochimique (figure 4A). Dans le cas des jonctions gap, la sélectivité du transport semble presque secondaire.

Figure 4B. Passage des ions dans les canaux inoniques

L'ouverture des pores est généralement sous la dépendance de la fixation d'un ligand (neurotransmetteur), de

l'interaction avec un composant intracellulaire (nucléotide cyclique) ou d'un changement dans le potentiel membranaire (canaux dépendant du voltage). L'ouverture de certains canaux dépend de déplacements mécaniques provoqués par un stimulus donné (mécanorécepteurs du vestibule de l'oreille interne ou osmorécepteurs dans le cerveau).

Les transporteurs et les pompes

Les transporteurs et les pompes sont souvent formés de plusieurs sous-unités protéiques dont certaines sont plusieurs fois transmembranaires. Le passage nécessite un profond changement de la configuration des protéines qui les constituent. Ils transfèrent les molécules de soluté à travers la membrane selon le principe d'une réaction enzyme-substrat ; (E étant le transporteur, S le soluté dans le compartiment initial, et P le soluté transféré dans le compartiment final). Cette approche permet la détermination de constantes physicochimiques (Vmax et Km) caractéristiques de chaque transporteur. Les transporteurs possèdent un ou plusieurs sites de fixation spécifiques du substrat. Cependant, à la différence d'une réaction enzyme-substrat, le soluté transporté n'est pas modifié.

Les transporteurs qui assurent un transport actif fonctionnent avec l'aide d'un gradient ionique constitué préalablement. Ce sont les systèmes de co-transport dans lesquels le transfert d'un soluté dépend du transfert simultané d'un second soluté. Quand les deux solutés vont dans la même direction, c'est un symport ; quand ils vont en direction opposée, c'est un antiport.

Les pompes sont définies comme des protéines de transport qui utilisent l'hydrolyse de l'ATP comme source d'énergie. Bien que les détails moléculaires soient inconnus, il est probable que les transporteurs transfèrent le soluté en subissant un changement de conformation réversible qui expose alternativement le site de liaison du soluté sur une face de la membrane, puis sur l'autre face.

Dans les pages suivantes nous allons décrire les différents transporteurs regroupés selon les fonctions physiologiques dans lesquelles ils interviennent.


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Figure 5. Symport et antiport

Les transporteurs (co-transporteurs et ATPases) n'ont pas de pore apparent. Le passage d'ions ou de petites molécules nécessite donc un profond changement de configuration. Ce transport est beaucoup plus lent mais permet aux solutés de traverser contre leur gradient électrochimique


Figure 6. Pompe ou ATPase


Maintien des concentrations ioniques L'ATPase Na+/K+ ou pompe Na+/K+

La concentration en K+ est typiquement 10 à 20 fois plus élevée à l'intérieur des cellules qu'à l'extérieur, alors que la situation est inversée pour Na+ :

( ).http://www.ulysse.u-bordeaux.fr/atelier/ikramer/biocell_diffusion/gbb.cel.fa.102.b3/content/anno0301.htm





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Ces différences sont engendrées et maintenues par une ATPase de la membrane plasmique qui se comporte comme une pompe expulsant activement 3 ions Na+ vers l'extérieur de la cellule et important deux ions K+ vers l'intérieur. L'ATPase Na+/K+

diminue ainsi la concentration intracellulaire d'ions positifs. Elle est donc électrogénique (et impliquée dans la mise en place d'un potentiel électrique membranaire). Le transport de Na+ et K+ est étroitement couplé à l'hydrolyse de l'ATP pour le transfert des deux ions contre leur gradient électrochimique (transport actif primaire).

Figure 7. Fonction de la pompe Na+/K+-ATPase

L'ATPase Na+/K+ (classe P), comme la plupart des autres pompes, est constituée de trois protéines étroitement liées

(sous-unités α,β,γ, respectivement d'un poids moléculaire de 110 kDa, 40 kDa et 8 kDa). Son mécanisme moléculaire de transport exige trois étapes :

1. fixation des ions à haute affinité,

2. transfert des ions au travers de la membrane, et

3. réduction d'affinité qui permet la libération des ions.

Ce dynamisme est engendré par la fixation de l'ATP et son hydrolyse subséquente, qui se traduit par une phosphorylation transitoire du transporteur sur le résidu aspartate 369 (comme montré pour la Ca2+-ATPase dans l'animation de la figure 6). Il est vraisemblable que l'ensemble hydrolyse/phosphorylation/déphosphorylation soit nécessaire au transport des ions. Expérimentalement il est possible d'inhiber l'ATPase Na+/K+ par l'ouabaïne, glycoside extrait de la digitale.

Le gradient Na+/K+ généré de part et d'autre de la membrane est essentiel au fonctionnement de la cellule. Il est impliqué dans diverses fonctions :

1. régulation du pH,

2. régulation du volume cellulaire,

3. transport de nutriments tels que glucose et certains acides aminés,

4. transmission du signal dans le système nerveux (potentiel d'action).

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La différence de potentiel transmembranaire La différence de potentiel transmembranaire, ou potentiel de membrane, d'une cellule animale est proche de –70mV, la

face cytoplasmique étant chargée négativement par rapport à la face externe. Le potentiel de membrane est le résultat de mouvements ioniques transmembranaires. Ces mouvements sont la conséquence d'une distribution inégale de part et d'autre de la membrane des ions et macromolécules chargées (comme les glucides complexes, les nucléotides et les protéines). Cette distribution est elle- même la conséquence de transports transmembranaires actifs avec une contribution majeure de l'ATPase Na+/K+.

Dans un état « repos » c'est le mouvement de K+ au travers de la membrane qui prédomine, parce qu'il y a plus de canaux potassiques que de canaux sodiques ouverts. En conséquence, la valeur du potentiel de repos est essentiellement déterminée par le mouvement de K+. Grâce à sa concentration intracellulaire très élevée, le K+ sort de la cellule en polarisant la face cytoplasmique négativement par rapport à la face externe. Le potentiel ainsi créé s'oppose au mouvement suivant de K+ au travers de la membrane, c'est-à-dire que le gradient électrochimique de K+ diminue. Sans la présence de Na+, le potentiel atteint la valeur de –90mV (potentiel d'équilibre du potassium), valeur pour laquelle il y a équilibre entre les deux forces (gradient électrochimique du potassium nul). Cependant, le potentiel de membrane créé par le K+, induit une augmentation considérable du gradient électrochimique du Na+ ce qui provoque un flux entrant de Na+ de plus en plus important. A un moment donné,

, il s'installe un équilibre dynamique où il y autant de K+ qui sortent que de Na+ qui entrent (courant net nul) : c'est le potentiel de membrane de repos.

Figure 9. Création d'un potentiel membranaire


Comme on le verra plus-tard, l'ouverture d'un plus grand nombre de canaux qui laissent passer le Na+ (le récepteur à l'acétylcholine et le canal de Na+ dépendant du voltage) va faire basculer les événements ; c'est la mobilité de Na+ qui prédomine et détermine principalement la valeur du potentiel transmembranaire (par exemple lors du potentiel d'action).

Il est important de savoir que les flux ioniques responsables du potentiel de repos n'impliquent que des quantités minimes (de l'ordre de la picomole) par rapport aux concentrations ioniques de la cellule et son environnement (de l'ordre de la millimole). A court terme, ces mouvements n'ont pas d'effets importants sur la concentration des ions, intra ou extracellulaire. En revanche, lorsqu'on inhibe l'ATPase Na+/K+par de l'ouabaïne, la cellule perd progressivement (plusieurs minutes) son potentiel de membrane et son volume augmente à la suite d'un gain net en ions intracellulaires. Une part considérable (25 à 50%) de l'ATP cellulaire disponible sert à maintenir les gradients de concentration d'ions à travers la membrane plasmique et les membranes intracellulaires.

L'ATPase Ca2+ ou pompe à Ca2+

Les cellules animales maintiennent des concentrations intracellulaires très faibles de Ca2+ (http://www.ulysse.u-bordeaux.fr/atelier/ikramer/biocell_diffusion/gbb.cel.fa.102.b3/content/anno0301.htm ). Comme on le verra plus tard, les ions Ca2+sont étroitement impliqués dans les voies de signalisation commandant la contraction musculaire, l'exocytose et l'activation de divers types cellulaires en réponse à un stimulus extérieur (exemple des lymphocytes T). Les ATPases Ca2+ (classe P) sont des protéines de poids moléculaire d'environ 110 kDa. Elles sont situées dans la membrane plasmique mais aussi dans la membrane du réticulum endoplasmique (réticulum sarcoplasmique pour les cellules musculaires ou l'ATPase Ca2+ représente 90% des protéines membranaires). Les ATPases Ca2+ sont différentes selon leur localisation comme le montre l'utilisation d'inhibiteurs spécifiques. Par exemple, l'ATPase Ca2+ du réticulum endoplasmique, spécifiquement inhibée par la thapsigargine, est, par ailleurs, régulée par une petite protéine membranaire (6 kDa) qui s'assemble en homopentamère, le phospholamban.

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Figure 8. Fonction de la pompe Ca2+-ATPase

A l'intérieur du réticulum endoplasmique la concentration en Ca2+ libre est tamponnée par la calciréticuline, une

protéine qui fixe 20 ions Ca2+ par molécule.

D'un point de vue structure/fonction, cette ATPase ressemble beaucoup à l'ATPase Na+/K+ mais elle est sélective du Ca2+. Son activité - déclenchée par l'hydrolyse d'ATP, suivie par une phosphorylation/déphosphorylation de l'acide aspartique 351 - se traduit par le passage simultané de deux ions Ca2+.

Le transport des nutriments Transporteurs de glucose

La cellule a deux façons de transporter le glucose :

1. Un transport actif effectué par le symport Na+-glucose (SGLT-1, sodium glucose cotransporter-1). Ce transporteur (poids moléculaire de 60 kDa et constitué de 12 hélices -α transmembranaires) est abondant dans l'épithélium du tube digestif et du tubule rénal (néphron). Il utilise le fort gradient transmembranaire de Na+ (mis en place par l'ATPase Na+/K+) pour faire pénétrer spécifiquement le glucose dans la cellule avec un rapport de un glucose pour un Na+.

2. Un transport passif de type uniport effectué par les perméases du glucose (GLUT-1 à GLUT-5, glucose transporter). Les protéines réalisant cette opération ont un poids moléculaire d'environ 54 kDa et sont formées de 12 hélices -α dont certaines se juxtaposent en ménageant un pore central hydrophile. Bien qu'initialement caractérisées comme transporteurs de glucose, certaines protéines appartenant à la même famille se sont avérées pouvoir aussi transporter d'autres sucres. Par exemple, GLUT-2 transporte non seulement le glucose mais aussi le fructose et le galactose alors que GLUT-5 transporte spécifiquement le fructose.

Ces deux types de transporteurs du glucose sont associés dans la fonction physiologique du transport de glucose à travers l'épithélium du tube digestif : le glucose intestinal est activement transporté à l'intérieur des entérocytes (cellules de l'épithélium intestinal) par des transporteurs Na+-glucose (symport par SGLT-1) localisés dans la région apicale de la membrane. L'élévation de la concentration intracellulaire en glucose qui en résulte entraîne sa sortie au pôle basal de la cellule grâce à une perméase glucose (GLUT-1). La localisation sélective des deux types de transporteurs du glucose au sein des deux pôles membranaires de l'entérocyte est essentielle au transport orienté et constitue un excellent exemple de polarité structurale et fonctionnelle cellulaire.

Transporteurs d'acides aminés

Dans les entérocytes, le passage des acides aminés à travers la membrane plasmique utilise un symport fonctionnant à l'aide du gradient de sodium. L'exemple est celui du transporteur Na+/L-leucine.


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Figure 10. Le passage du glucose au travers de l'entérocyte de l'épithélium intestinal

http://www.ulysse.u-bordeaux.fr/atelier/ikramer/biocell_diffusion/gbb.cel.fa.102.b3/content/anim/anim10.swf Transporteurs ABC

Ces transporteurs constituent une grande famille d'ATPases (500 membres à ce jour) à localisations ubiquitaires et transportent des acides aminés, sucres, polysaccharides, acides gras, peptides et ions. Les protéines réalisant cette opération ont un poids moléculaire d'environ 140 kDa et sont formées de 12 hélices -α. Ces transporteurs sont caractérisés par une séquence précise d'acides aminés localisée dans le domaine cytoplasmique : il s'agit de l'ATP-binding cassette, impliquée dans la fixation de l'ATP (deux cassettes par transporteur). C'est l'hydrolyse de l'ATP qui produit ce transport mais le mécanisme exact de passage des solutés n'est pas encore bien compris. Notre connaissance actuelle de cette famille a bénéficié d'études sur la résistance des micro-organismes aux antibiotiques. C'est l'expression excessive de certains de ces transporteurs, bien conservés au cours d'évolution, qui est responsable de l'élimination par l'agent pathogène d'antibiotiques tels que la tétracycline par Staphylococcus aureus ou la chloroquine par Plasmodium falciparum (agent de la malaria). Les cellules cancéreuses sont capables d'en exprimer très fortement certains; la surexpression de la P-glycoprotéine-170 (P170) est responsable d'une multirésistance aux drogues (MDR) et donc à la chimiothérapie anti-cancéreuse.

Le transport des protéines vers l'extérieur et l'intérieur du réticulum endoplasmique. Canal de translocation des protéines

Certains organites, comprenant le réticulum endoplasmique, l'appareil de Golgi, les endosomes, les lysosomes et les

vésicules sécrétoires, communiquent entre eux mais aussi avec l'extérieur de la cellule (par endocytose et exocytose). Leur contenu peut donc être assimilé au milieu extracellulaire. On peut considérer que le passage d'une protéine du cytosol vers la lumière du système vésiculaire équivaut à une sortie de la cellule. Ainsi, lors du processus de protéosynthèse, la destination extracellulaire est déterminée par le passage de la membrane au niveau du réticulum endoplasmique rugueux.

Le transporteur des protéines présent dans la membrane du réticulum endoplasmique est appelé canal de translocation des protéines (PCC, protein-conducting channel). Le canal est constitué de plusieurs protéines transmembranaires. C'est la protéine Sec61-α (secretion deficient), insérée dans la membrane par 10 hélices -α (poids moléculaire d'environ 54 kDa) et ménageant un pore, qui permet le passage de la chaîne protéique en cours de synthèse, du ribosome vers la lumière du RER. Le pore peut aussi fonctionner dans la direction opposée (transport rétrograde) au moment de l'élimination de protéines néosynthétisées mal configurées.



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Figure 11. Le passage des protéines par le canal de translocation (Sec61-α) du réticulum endoplasmique

Le maintien du pH La concentration de H+ détermine l'acidité d'une solution. Le pH ( ) est la grandeur utilisée pour cette mesure.

Parce que la fonction d'une protéine dépend du pH environnant, la cellule doit assurer dans ses différents compartiments un pH bien précis et stable. Les enzymes lysosomiales qui dégradent les protéines fonctionnent préférentiellement à pH 5,5 alors que les enzymes cytoplasmiques fonctionnent de façon optimale à pH 7,2. Une concentration stable en ions H+ (protons) ne se maintient dans le cytosol que du fait de l'existence de mécanismes de transport actif rejetant des protons hors de la cellule. Ce type de transport sert à compenser à la fois la production métabolique de molécules acides et l'entrée passive de protons.

Milieu intracellulaire. Les échangeurs Na+/H+ et HCO 3-/Cl-

Le pH cytoplasmique est essentiellement régulé par deux types d'échangeurs (parmi d'autres mécanismes non

mentionnés ici) :

• Le premier échange Na+ externe contre H+ interne (Na+/H+ échangeur ou NHE). Cet échange, effectué par une famille de protéines membranaires (NHE1-5) d'un poids moléculaire d'environ 92 kDa, est rendu possible par le gradient de Na+ et est activé par une acidification intracellulaire. La sensibilité de cet antiport aux protons est déterminée par des signaux externes tels que les facteurs de croissance par exemple.

• Le second échange HCO3- interne contre Cl- externe (échangeur d'anions ou AE2). Cet échange est rendu

possible par le gradient de Cl- et est activé par une alcalinisation intracellulaire.

Figure 12. Maintien du pH intracellulaire par les échangeurs Na+/H+ et HCO3-/Cl-


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ATPase H+, pompe à protons

Le pH des lysosomes et endosomes est régulé par l'ATPase H+ (classe V), une pompe localisée dans la membrane de ces organites, qui fait entrer les protons dans ces vésicules et en acidifie le contenu (pH 5,5). Cette pompe ne ressemble pas aux ATPases telles que Na+/K+ et Ca2+ . Elle est constituée de nombreuses sous-unités transmembranaires (a et c) et cytosoliques (A, B, C, D et E) lui donnant un poids total d'environ 270 kDa. L'hydrolyse de l'ATP produit le transport mais ne s'accompagne pas de la phosphorylation sur un résidu aspartate.

Figure 13. Acidification des endosomes et lysosomes par la pompe H+-ATPase (classe V

) Le lysosome contient environ cinquante enzymes différentes dont la plupart sont des protéases et qui agissent à un pH

optimum de 5,5. Leur rôle est de détruire les déchets, qu'ils soient d'origine externe (endocytose) ou interne.

Milieu extracellulaire. ATPase H+/K+

Le pH gastrique est régulé par l'ATPase H+/K+ (classe P) qui se trouve associée à la membrane plasmique des cellules

gastriques pariétales de mammifère et qui transporte un proton à l'extérieur en important un ion K+ (respectant l'électroneutralité).

Figure 14. Acidification du contenu stomacal par la pompe H+/K+-ATPase des cellules pariétales

Cette pompe, constituée de deux sous-unités de 120 kDa et 50 kDa, ressemble aux ATPases Na+/K+ et Ca2+.

L'hydrolyse de l'ATP et la phosphorylation sur le résidu asparate (369) produisent le un changement de conformation qui facilite le passage des ions. Cette pompe génère un puissant gradient de concentration de protons : la concentration de H+ est 106 fois plus élevée dans la lumière de l'estomac que dans le cytosol de la cellule. Un environnement très acide est ainsi mis en place


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dans l'estomac (pH 1,5, avec 0,03M H+). Le pH bas est essentiellement destiné à éliminer les micro-organismes pathogènes qui entrent avec la nourriture.

L'ATPase est la cible directe de l'Oméprazole, drogue inhibitrice utilisée pour traiter les ulcères gastriques. L'inhibition du fonctionnement de la pompe se traduit par une augmentation du pH de l'estomac (vers pH 4), favorable à la cicatrisation. A l'inverse, les anti-inflammatoires, comme l'aspirine et le paracétamol, augmentent par une voie indirecte l'activité de l'ATPase K+/H+ et réduisent la production de mucus et de bicarbonate. Le traitement prolongé provoque donc des ulcères gastriques (effet indésirable du médicament).

Le maintien de l'équilibre hydrique

Les mouvements de H2O sont dépendants des mouvements des ions à travers la membrane. Dans un environnement hypotonique, la cellule laisse sortir le K+ et Cl- par plusieurs canaux et échangeurs. De ce fait, la réduction de la concentration de KCl diminue l'entrée de H2O. Dans un environnement hypertonique, la cellule laisse entrer le Na+ et Cl- par différents échangeurs (mais pas par des canaux ioniques). De ce fait, l'augmentation de la concentration de NaCl accroît l'entrée de H2O.

Milieu intracellulaire. Les aquaporines

Le transport de l'eau est facilité par les aquaporines (AQP). Ce sont des protéines de transport de 28 kDa à 6 hélices-α transmembranaires qui s'assemblent en tétrahomomères, formant ainsi quatre pores couplés. Elles sont exprimées dans les cellules épithéliales du rein et du poumon, dans la conjonctive de l'œil, les endothéliums et l'hématie. Ce canal n'est pas perméable aux ions. Les deux extrémités, vestibules intérieur et extérieur, portent des charges négatives (groupe COO-) qui s'opposent au passage des cations. De plus, le pore (le filtre sélectif) est chargé positivement et s'oppose donc au passage des anions.

Figure 15 Cliquez pour plus de détail sur les aquaporines :

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Leur présence dans les hématies est responsable de la vulnérabilité des ces cellules au choc osmotique. Il est donc très important que les perfusions (utilisées pour compenser la perte de sang ou pour administrer une thérapeutique) soient strictement isotoniques (320 mOsm).

Leur présence dans le tube collecteur du néphron est responsable de la perméabilité de cette structure à l'eau. En effet c'est à ce niveau que le volume final de l'urine est ajusté grâce à une rétention plus ou moins importante d'eau. Cette rétention est régulée par l'hormone anti-diurétique (ADH ou vasopressine (libérée par le lobe postérieur de l'hypophyse) qui provoque l'exposition membranaire des aquaporines (AQP2). La déficience en vasopressine ou des mutations dans la séquence de



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l'aquaporine-2 se manifestent par l'apparition d'un diabète insipide (une maladie caractérisée par l'émission d'une grande quantité d'urine, jusqu'à 30 litres par jour).

Milieu intracellulaire. Le canal de Cl- (CFTR) et mucoviscidose

La sécrétion du suc intestinal, due aux glandes de Lieberkühn de la muqueuse intestinale, joue un rôle important dans la digestion (enzymes) et dans la progression du bol alimentaire due au péristaltisme. La fluidité du suc est directement dépendante de sa teneur en eau qui est en partie régulée par la présence de NaCl dans la lumière intestinale. Un taux élevé de NaCl attire l'eau et augmente la fluidité. Au niveau de la membrane baso-latérale des cellules des glandes de Lieberkühn se trouve un co-transporteur Na+/2Cl-/K+ mise en jeu par le gradient Na+/K+. Le Cl- accumulé dans la cellule trouve sa voie vers la lumière intestinale par un canal Cl-. L'accroissement de Cl- en résultant entraîne un flux de Na+ dans le même sens, causant ainsi une nette augmentation de la concentration en NaCl.

Figure 16. Transport du Cl- par le canal CFTR présent dans la cellule calciforme de l'épithélium du colon http://www.ulysse.u-bordeaux.fr/atelier/ikramer/biocell_diffusion/gbb.cel.fa.102.b3/content/images/fig16a.jpg

Dans les glandes sudoripares, le canal fonctionne en sens inverse : il récupère le Cl- pour réduire la perte du NaCl

contenu dans la sueur.

Ce canal est une protéine fortement glycosylée d'un poids de 130 kDa dont la chaîne peptidique traverse la membrane 12 fois. Elle appartient à une famille de transporteurs ABC, caractérisée par deux sites de liaison de l'ATP. Elle ressemble donc à une pompe mais fonctionne comme un canal dans lequel le transport de Cl- suit le gradient électrochimique. Ce transport est régulé par le nombre d'unités exposées à la surface cellulaire et par leur état d'ouverture (lui même régulé par la phosphorylation du domaine R(égulateur) par la protéine kinase A).

La mucoviscidose est la conséquence d'une mutation qui affecte ce canal Cl-. On l'appelle canal CFTR ( cystic fibrosis transmembrane conductance regulator) et la mutation la plus fréquente conduit à une perte du résidu phénylalanine en position 508 (figure 16). Cette mutation a deux conséquences : elle réduit l'exposition membranaire du canal ainsi que sa conductance au Cl-. Cela se traduit par une réduction du NaCl intestinal. Le suc très visqueux qui en résulte, gène le péristaltisme (diagnostic de meconium ileus). On trouve ce canal Cl- également dans les cellules épithéliales du poumon, les glandes sudoripares, le pancréas exocrine (et d'autres tissus). Dans le cas des poumons, la forte viscosité du mucus favorise les infections par les pathogènes ce qui représente la plus commune cause de décès dans cette maladie génétique. Une autre conséquence du dysfonctionnement du canal est que la sueur de ces patients contient un taux anormalement élevé de NaCl (100 mM) résultant en une perte importante de sel lors de l'activité physique.

Neurotransmission. Le récepteur nicotinique à l'acétylcholine

Les récepteurs de l'acétylcholine (neurotransmetteur) se trouvent dans la membrane post-synaptique de neurones (dans le système nerveux central et dans les ganglions végétatifs) ou de cellules musculaires (muscles striés au niveau de la jonction neuromusculaire): ce sont des canaux qui laissent passer Na+ et K+. En absence d'acétylcholine ces canaux sont fermés (état de



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repos). Le canal a été bien étudié dans l'organe électrique du poisson Torpedo marmorata où il est exprimé en grande quantité, générant un potentiel membranaire capable d'induire un choc électrique destiné à tuer les proies.

Le canal est un pentamère, constitué de deux sous-unités α et de trois sous-unités α, β, γ. Chaque sous-unité est un protéine membranaire qui traverse la membrane quatre fois par une hélice -α (segments M1 à M4) L'ensemble forme un pore.

Figure 17. Récepteur nicotinique de l'acétylcholine dans un élément post-synaptique : canal Na+/K+


A l'état fermé le passage des ions est empêché par la présence au niveau de la porte de résidus leucine (résidus hydrophobes sur M2). La libération d'acétylcholine dans la fente synaptique est suivie de la fixation d'une molécule d'acétylcholine sur chacune des deux sous-unités -α résultant dans le déplacement des leucines ouvrant ainsi la porte du canal. C'est le Na+ qui passe tout d'abord grâce à son gradient de concentration et au potentiel membranaire ici en synergie (ces deux forces s'opposent dans le cas de K+, ce qui limite le mouvement de cet ion). Le flux de Na+ vers l'intérieur (25 000 ions par msec) réduit le potentiel membranaire provoquant ainsi le début de la phase ascendante du potentiel post-synaptique.

Lorsque cette dépolarisation atteint –45mV, elle déclenche l'ouverture d'un second type de canal : le canal Na+

dépendant du voltage ce qui entraîne une entrée supplémentaire de Na+ . Le potentiel membranaire est ainsi amené à +50mV, c'est le potentiel d'action qui se propage sur la membrane post-synaptique : Ce sujet sera à nouveau abordé dans la ressource « la transduction du signal ».

Ce récepteur à l'acétylcholine peut être également ouvert par la nicotine, qualifiée donc d'agoniste de l'acétylcholine. C'est la raison pour laquelle le récepteur est appelé « nicotinique » (récepteur AChn). La dépendance physique et psychologique au tabac s'explique par l'effet pharmacologique de la nicotine qu'il contient.

Le récepteur AChn est également la cible de nombreuses toxines qui bloquent le site de fixation de l'acétylcholine. Par exemple, les toxines de venin de serpent, α−bungarotoxine et cobratoxine, en s'attachant spécifiquement et définitivement au récepteur agissent comme des antagonistes, entraînant donc la paralysie des proies par blocage de la transmission au niveau des jonctions neuromusculaires. Un autre exemple concerne le curare (tubocurarine), un extrait végétal utilisé par les Indiens d'Amérique de Sud pour empoisonner leurs flèches. Ce poison se fixe d'une façon réversible sur le récepteur et induit une relaxation musculaire transitoire (utilisé aussi en chirurgie pour relaxer les muscles).

Le récepteur à l'acétylcholine peut également être la cible d'anticorps auto-immuns produits au cours d'une maladie appelée Myasthenia gravis. La destruction des récepteurs qui en résulte (les malades perdent 2/3 de leurs récepteurs) provoque une faiblesse musculaire car la dépolarisation déclenchée par l'acétylcholine n'atteint que très rarement le seuil (-45mV) suffisant pour déclencher le potentiel d'action musculaire. Cette affection se caractérise par le symptôme des paupières tombantes.

Communication entre cellules. Connexine

Les jonctions de type gap (jonctions communicantes) sont constituées de connexines, appartenant à une famille dont les membres sont désignés par leur poids moléculaire (connexine 32 à 50). Ce sont des protéines transmembraines, dont la chaîne polypeptidique traverse la membrane quatre fois. Les connexines s'assemblent en complexes de six unités qui forment un connexon ménageant ainsi un pore d'un diamètre de 2 nm environ. Les connexons présents dans les membranes de deux cellules voisines se placent en vis-à-vis, se lient entre eux et forment ainsi une jonction percée par un pore reliant les cytoplasmes des deux cellules contiguës. Ces jonctions peuvent être rassemblées en champs membranaires (nexus) plus au moins étendus.



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Figure 18. Connexons formant une jonction gap

La jonction de type gap oscille entre un état ouvert et un état fermé mais les mécanismes contrôlant les mouvements ne

sont pas encore élucidés. Trois exemples représentatifs :

1. dans le système nerveux ces jonctions (connexin 36) caractérisent la synapse électrique, mode de conduction très rapide du signal électrique entre deux neurones ;

2. dans le muscle lisse qui entoure le tube digestif et est responsable du péristaltisme, les cellules sont électriquement couplées par des jonctions gap (connexin 43). La stimulation électrique de l'une d'entre elles peut donc se propager de proche en proche et entraîner une onde de contraction péristaltique. Leur rôle dans les tissus épithéliaux (non conducteurs) n'est pas encore clair.

3. Le couplage électrique entre les myocytes cardiaques est dû à des jonctions de type gap qui sont localisées (avec des jonctions adhérentes), dans une zone bien définie appelée disque intercalaire. Chez les mammifères, c'est la connexine43 qui est le composant majeur des jonctions de type gap dans le coeur (parmi d'autres telles que la connexine37, 40 et 45). La place fonctionnelle de la connexine43 dans le couplage électrique est mise en évidence par la corrélation nette qui existe entre la diminution de son expression et l'apparition de pathologies cardiaques comme les arythmies.

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Introduction - neur-one.fr · Modes de transport membranaire Passage de la membrane par diffusion simple ... pores permettant le mouvement passif d'ions (canaux ioniques) ou de molécules