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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.
Prérequis :
- Savoir que la cellule est entourée par une membrane lipidique qui est peu perméable aux solutés et aux macromolécules.
Objectifs :
- Comprendre pourquoi les cellules ont besoin de protéines de transport membranaire
- Connaître les différents systèmes de transport d'ions et de macromolécules ainsi mis en place.
Temps de travail prévu : 4 heures
Agrandir les animations pour bien voir le transport des solutés et le changement de conformation des protéines de transport.
Sommaire :
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 :
Modes de transport membranaire
Passage de la membrane par diffusion simpleCe mode de transport ne fait pas intervenir de protéines membranaires. Il est limité aux gaz (
, 
, 
, 
), aux molécules lipophiles (hormones stéroïdes et thyroïdiennes, urée, éthanol, etc.) et, dans certaines limites, à 
(revoir les propriétés de perméabilité d'une double couche lipidique artificielle sans protéines). Passage de la membrane par protéines de transportLa 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.
Figure 1. Efficacité du transport membranaire
 | Voir une version animée du transport de D-glucose |
| Macromedia Flash - 68Ko | |
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 (
), nécessite plus de 2000 fois plus de L-glucose pour un transport équivalent de cet isomère (voir le tableau). 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
| | Voir une version animée du transport de D-glucose par Glut1 |
| Macromedia Flash - 99Ko | |
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 (, glucides, acides aminés, nucléotides) avec une capacité de transport d'environ
à 
molécules/sec. - Les pompes, avec une capacité de transport actif d'environ
à 
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 ». - Les transporteurs qui assurent un transport passif (uniport) ou actif (symport et antiport) avec une capacité de transport à
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
| | Voir une version animée du comportement des molécules sans charge nette |
| Macromedia Flash - 70Ko | |
Les canaux sont des véritables pores constitués d'une (comme la glucose perméase GLUT et le canal de
), ou plusieurs sous-unités protéiques transmembranaires (comme le canal 
, le canal 
ou la jonction Gap).
Figure 4A. Comportement des molécules avec charge nette
| | Voir une version animée du comportement des molécules avec charge nette |
| Macromedia Flash - 94Ko | |
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.
Figure 4B. Passage des ions dans les canaux inoniques
L'intérieur des canaux anioniques (comme
) est faiblement positif et celui des canaux cationiques (comme )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 résultante est nommée
gradient électrochimique (figure 4A). Dans le cas des jonctions gap, la sélectivité du transport semble presque secondaire.
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 pompesLes 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 (
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.
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
| | Voir une version animée du symport Na+– glucose |
| Macromedia Flash - 29Ko | |
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.
Figure 6. Pompe ou ATPase
| | Voir une version animée du fonctionnement d'une pompe (ATPase) |
| Macromedia Flash - 58Ko | |
Dans les pages suivantes nous allons décrire les différents
transporteurs regroupés selon les fonctions physiologiques dans
lesquelles ils interviennent.
Sommaire
Maintien des concentrations ioniques
L'ATPase 
ou pompe La concentration en
est typiquement 10 à 20 fois plus élevée à l'intérieur des cellules qu'à l'extérieur, alors que la situation est inversée pour (voir le tableau).Ces différences sont engendrées et maintenues par une ATPase de la
membrane plasmique qui se comporte comme une pompe expulsant activement
3 ions
vers l'extérieur de la cellule et important deux ions vers l'intérieur. L'ATPase 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
et est étroitement couplé à l'hydrolyse de l'ATP pour le transfert des
deux ions contre leur gradient électrochimique (transport actif
primaire).
Figure 7. Na+/K+ ATPase
L'ATPase
(classe P), comme la plupart des autres pompes, est constituée de trois protéines étroitement liées (sous-unités 
, respectivement d'un poids moléculaire de 110 kDa, 40 kDa et 8 kDa). Son mécanisme moléculaire de transport exige trois étapes :- fixation des ions à haute affinité,
- transfert des ions au travers de la membrane, et
- 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
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
par l'ouabaïne, glycoside extrait de la digitale.Le gradient
généré de part et d'autre de la membrane est essentiel au
fonctionnement de la cellule. Il est impliqué dans diverses fonctions :
- régulation du pH,
- régulation du volume cellulaire,
- transport de nutriments tels que glucose et certains acides aminés,
- transmission du signal dans le système nerveux (potentiel d'action).
| La différence de potentiel transmembranaire La différence de potentiel transmembranaire, ou potentiel de membrane, d'une cellule animale est proche de  ,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 .Dans un état « repos » c'est le mouvement de 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 . Grâce à sa concentration intracellulaire très élevée, le 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 au travers de la membrane, c'est-à-dire que le gradient électrochimique de diminue. Sans la présence de , le potentiel atteint la valeur de  (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 , induit une augmentation considérable du gradient électrochimique du ce qui provoque un flux entrant de de plus en plus important. A un moment donné,  , il s'installe un équilibre dynamique où il y autant de qui entrent (courant net nul) : c'est le potentiel de membrane de repos. qui sortent que de  Figure 9. Différence de potentiel membranaire <table align="center" border="0"> <tr> <td> </td><td>Voir une version animée de la différence de potentiel membranaire</td> </tr> <tr> <td colspan="2"> Macromedia Flash - 25Ko</td> </tr> </table> Comme on le verra plus-tard, l'ouverture d'un plus grand nombre de canaux qui laissent passer le (le récepteur à l'acétylcholine et le canal de qui prédomine et détermine principalement la valeur du potentiel transmembranaire (par exemple lors du potentiel d'action). dépendant du voltage) va faire basculer les événements ; c'est la mobilité de 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 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 
ou pompe à Les cellules animales maintiennent des concentrations intracellulaires très faibles de
(voir le tableau). Comme on le verra plus tard, les ions 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
(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
représente 90 des protéines membranaires). Les ATPases sont différentes selon leur localisation comme le montre l'utilisation d'inhibiteurs spécifiques. Par exemple, l'ATPase 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.
Figure 8. Ca2+ ATPase
A l'intérieur du réticulum endoplasmique la concentration en
libre est tamponnée par la calciréticuline, une protéine qui fixe 20 ions par molécule.D'un point de vue structure/fonction, cette ATPase ressemble beaucoup à l'ATPase
mais elle est sélective du . 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 .Sommaire
Le transport des nutriments
Transporteurs de glucoseLa cellule a deux façons de transporter le glucose :
- Un transport actif effectué par le symport
(SGLT-1, sodium glucose cotransporter-1). Ce transporteur (poids moléculaire de 60 kDa et constitué de 12 hélices 
(mis en place par l'ATPase ) pour faire pénétrer spécifiquement le glucose dans la cellule avec un rapport de un glucose pour un .
transmembranaires) est abondant dans l'épithélium du tube digestif et
du tubule rénal (néphron). Il utilise le fort gradient transmembranaire
de - 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
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
(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.
Figure 10. Entérocyte de l'épithélium intestinal
| | Voir une version animée du transport de glucose |
| Macromedia Flash - 49Ko | |
Transporteurs d'acides aminésDans 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
. Transporteurs ABCCes 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
.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.
Sommaire
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.
Figure 11
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
(secretion deficient), insérée dans la membrane par 10 hélices (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.
Sommaire
Le maintien du pH
La concentration de
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
(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 
et 
Le pH cytoplasmique est essentiellement régulé par deux types d'échangeurs (parmi d'autres mécanismes non mentionnés ici) :
- Le premier échange externe contre interne ( 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
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
interne contre externe (échangeur d'anions ou AE2). Cet échange est rendu possible par le gradient de et est activé par une alcalinisation intracellulaire.
Figure 12
ATPase , pompe à protonsLe pH des lysosomes et endosomes est régulé par l'ATPase
(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
et .Elle est constitutée 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. 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 
Le pH gastrique est régulé par l'ATPase
(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
(respectant l'électroneutralité).
Figure 14. Canalicule intracellulaire
Cette pompe, constituée de deux sous-unités de 120 kDa et 50 kDa, ressemble aux ATPases
.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
est 
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 dans
l'estomac ( et pH 1,5, avec
). 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  et réduisent la production de mucus et de bicarbonate. Le traitement prolongé provoque donc des ulcères gastriques (effet indésirable du médicament). |
Sommaire
