nouveau tp de bio cell pour les étudiantes de 1ére année LMD

EXERCICE DE RÉVISION : Les membranes

La membrane plasmique constitue une véritable barrière entre l’intérieur de la cellule et son environnement. À ce titre, c’est elle qui détermine ce qui entre et ce qui sort de la cellule. Cet exercice de révision a pour but de vous éclairer davantage quant à la relation entre l’architecture de la membrane cellulaire et ses fonctions dans le transport des substances. Bonne étude !


Référence : Campbell & Reece (2004)
* Chapitre 8 – Structure et fonction des membranes : pages 143 à 159


1. Introduction générale
La membrane plasmique est une enveloppe délimitant la cellule et l’isolant de son environnement. Comme toutes les membranes biologiques, on dit de la membrane plasmique qu’elle présente une perméabilité sélective.

(1) Nommez deux fonctions (rôles) accomplies par la membrane plasmique.
Délimite la cellule
Établit une distribution différentielle des ions de part et d’autre (= gradient de concentration).
Permet les échanges entre l’intérieur et l’extérieur de la membrane.


(2) Que signifie l’expression « perméabilité sélective » ?
La membrane est perméable (= laisse passer) certaines substances alors qu’elle empêche l’accès à d’autre.



(3) Si l’on dit que la membrane est « perméable » à une substance donnée, qu’est-ce que cela signifie ? Et si elle en est imperméable ?
Perméable = Elle laisse passer la substance.
Imperméable = lui empêche l’accès





Débutons notre étude avec la structure des membranes pour ensuite poursuivre avec leur fonction dans le transport de substances.

2. La structure des membranes
Composition
Les membranes sont principalement composées de lipides et de protéines. Elles contiennent aussi des glucides mais plutôt de façon accessoire. Les phosphoglycérolipides sont les lipides les plus abondants dans la plupart des membranes, puisque ce sont des molécules amphipathiques, à l’instar des protéines d’ailleurs.

(4) Que signifie l’expression « amphipathique » ?
Une partie de la molécule est hydrophile et l’autre partie est hydrophobe.



(5) Quelle est la composition des phosphoglycérolipides ? Dessinez cette molécule (symbole).
(* Revoir l’exercice sur les macromolécules – section 5.2, au besoin).
1 glycérol
1 groupement phosphate
2 acides gras (saturés vs insaturés)




(6) Lorsqu’ils entrent en contact avec l’eau, les phosphoglycérolipides tendent à s’organiser selon deux configurations particulières, quelles sont-elles ? (* Revoir l’exercice sur les macromolécules – question 38, au besoin)
En micelles ou en bicouche.




Le modèle de la mosaïque fluide
Selon le modèle de la mosaïque fluide, la membrane plasmique serait une mosaïque constituée d’une bicouche fluide de phosphoglycérolipides dans laquelle « flottent » des protéines.

(7) Définissez l’expression « bicouche lipidique ». (* Référence : p. 144 ; 1er paragraphe)
C’est une double couche de molécules lipidiques dont les extrémités hydrophiles sont dirigées vers l’extérieur, et les extrémités hydrophobes vers l’intérieur.




(8) Sur ce schéma suivant de la structure générale d’une membrane plasmique, identifiez les structures pointées. Puis, colorez en rouge la partie hydrophile et en bleu la partie hydrophobe.
















Selon le modèle de la mosaïque fluide, la membrane plasmique possède deux caractéristiques importantes : elle est fluide et est organisée telle une mosaïque.

La fluidité membranaire
(9) Qu’est-ce que la fluidité membranaire ?
C’est la capacité qu’ont ses composantes à se déplacer à l’intérieur de la membrane.


(10) Quelle est l’importance de cette propriété pour une cellule ?
Elle est essentielle à son bon fonctionnement. Sans fluidité, il ne peut y avoir de transport membranaire qui est la porte tournante de la cellule puisque toutes ses fonctions en dépendent.


(11) D’où provient cette fluidité de la membrane ?
Des phosphoglycérolipides qui constituent la trame de fond de la membrane et des protéines qui y sont enchâssées.


(12) Quel est l’impact de la température sur la fluidité d’une membrane ?
Si la température augmente ou diminue, la fluidité sera modifiée en conséquence. Elle se solidifie lorsque la température est trop basse est n’est plus fonctionnelle lorsque la température est trop élevée. À un certain point, les protéines peuvent même se dénaturer sous l’effet d’une trop haute température !

(13) Quel est l’impact de la présence de cholestérol dans la membrane sur sa fluidité?
Rôle complexe : à température ambiante, il restreint le mouvement des phosphoglycérolipides, diminuant par le fait même la fluidité membranaire. Mais à basse température, il empêche que les phosphoglycérolipides ne s’entassent et que la membrane se solidifie sous l’effet du froid.

La mosaïque
(14) Pourquoi compare-t-on la membrane plasmique à une mosaïque ?
Parce qu’elle est hétérogène dans sa composition et lorsqu’on regarde sa surface, elle ressemble à une mosaïque assemblé à partir de plusieurs molécules différentes (protéines, lipides, glucides).




Si les phosphoglycérolipides constituent la charpente de la membrane plasmique, ce sont les protéines qui lui confèrent ses fonctions. Il existe deux grandes classes de protéines membranaires ( = protéines constituant la membrane plasmique) : les protéines intramembranaires et les protéines périphériques.

(15) Distinguez protéines intramembranaires et protéines périphériques.
Une protéine intramembranaire est enchâssée à l’intérieur de la membrane. Si ses 2 extrémités traversent la membrane de part en part, la protéine est dite transmembranaire. Alors que les protéines périphériques ne pénètrent AUCUNEMENT à l’intérieur de la membrane, ils demeurent à sa périphérie et sont plutôt comme des appendices. On retrouve les protéines périphériques principalement sur le feuillet interne de la membrane.

Les feuillets interne et externe de la membrane se distinguent par leur composition lipidique et protéique. Sur le feuillet interne, des microfiaments du cytosquelette aident à maintenir en place les protéines, alors que sur le feuillet externe, ce sont plutôt les fibres de la matrice extracellulaire qui les fixe. Elles ont pour fonction de renforcer la charpente de la membrane plasmique. Le feuillet externe contient en plus des glycoprotéines (protéine + glucides). Celles-ci jouent un rôle très important dans la reconnaissance intercellulaire, c’est-à-dire la capacité d’une cellule à distinguer les différents types de cellules de l’organisme dont elle fait partie. Ainsi, des glucides (sous la forme de petits polysaccharides) entrent également dans la composition de la membrane en se liant aux protéines membranaires.

(16) Donnez trois exemples de glycoprotéines pouvant constituer la matrice extracellulaire. (* Référence : page 136 – Matrice extracellulaire)
Fibronectine
Collagène (« vers de terre »)
Protéoglycanes

(17) Nommez un type de cellules pouvant être distinguées par leurs glycoprotéines.
Globules rouges

(18) En quoi consiste cette variété ?
Glycoprotéines différents à leur surface ce qui mène à l’apparition des groupes sanguins.

(19) Quelle est l’importance de la connaissance de ces glycoprotéines dans le domaine de la médecine ?
Transfusions sanguines



(20) Complétez le tableau suivant sur certaines des fonctions accomplies par les protéines membranaires. Identifiez sa fonction, le type de protéine impliquée et une brève description de son mode d’action.

FONCTION TYPE DE PROTÉINE MODE D’ACTION
1. Protéines de transport


Protéine intramembranaire de type transmembranaire

Voir figure 8.9 ; page 150
2. Enzymes



3. Protéines réceptrices



4. Adhérence intercellulaire


5. Reconnaissance intercellulaire


6. Fixation au cytosquelette et à la matrice extracellulaire.


(21) Sur la figure suivante, identifiez TOUTES les composantes de la membrane plasmique. (* Référence : page 137 et 148 – Figures 7.29 et 8.6)



3. Le transport membranaire
Maintenant que nous connaissons l’anatomie d’une membrane plasmique, nous allons entrer dans le cœur du sujet : son fonctionnement. Vous devrez désormais être très attentifs aux notions de transport membranaire suivantes, puisqu’elles seront utilisées dans plusieurs autres cours. En effet, maintes fonctions chez les organismes pluricellulaires dépendent du transport membranaire. Nous verrons plusieurs d’entre elles au cours des prochaines semaines, mais pour l’instant attaquons-nous d’abord aux principes de base qui le régissent.

La membrane plasmique possède une propriété des plus importantes pour son fonctionnement : elle présente une perméabilité sélective. C’est cette caractéristique qui permet à la cellule d’isoler son contenu du monde extérieur, mais sans lui en limiter l’accès complètement. En effet, on observe une importante circulation de molécules part et d’autre de la membrane. Cependant, ce transport ne se fait pas sans restriction. Le perméabilité sélective de la membrane agit tel un contrôleur routier en permettant l’accès à certaines molécules et en le refusant à d’autre.

Il existe différents types de modes de transport pouvant être empruntés par les molécules afin de traverser la membrane. Certaines substances arrivent aisément à la traverser en s’y faufilant, mais d’autres molécules en sont incapables et doivent faire appel à un intervenant pour y parvenir : des protéines de transport.

Mais qu’est-ce qui détermine ce qui passe et ce qui ne passe pas à travers la membrane ? En fait, ce sont surtout la polarité et la taille de la molécule qui déterminent quel sera son mode de transport.

(22) Qu’est-ce que la polarité d’une molécule ? (* Référence : page 43)
Le fait que ses charges soient distribuées inégalement : les deux pôles de la molécule présentent des charges opposées.



(23) Une moléculaire polaire est-elle hydrophile ou hydrophobe ? Justifiez.
Hydrophile, puisqu’elle tend à être attirée (interagir) avec l’eau.




(24) Quelle est la particularité des protéines de transport ?
Elles sont très sélectives ; elles ne laissent passer qu’une ou quelques substances différentes.



Ainsi, différentes substances véhiculent régulièrement de part et d’autre de la membrane ; certaines y parviennent sans difficulté alors que d’autres doivent emprunter un « taxi » pour y parvenir. De plus, certains modes de transport nécessitent un apport d’énergie et d’autres non. Selon ce dernier critère, nous distinguons deux principaux modes de transport : le transport passif et le transport actif.

Le transport passif
Toute molécule en mouvement possède une certaine quantité d’énergie cinétique. La diffusion est la tendance que les substances (ions ou molécules) ont à se répartir uniformément dans un milieu. On distingue deux modes de diffusion appliqués au transport membranaire : la diffusion simple et la diffusion facilitée.

(25) Distinguez ces deux modes de diffusion.
Diffusion simple : les molécules diffusent directement à travers la membrane selon leur gradient de concentration. Ne nécessite pas l’apport d’ATP.
Diffusion facilitée : les molécules doivent emprunter une protéine de transport pour traverser la membrane, toujours selon leur gradient de concentration. Ne nécessite pas l’apport d’ATP.


(26) Donnez deux exemples de molécules empruntant le mode de transport passif : l’une pour la diffusion simple et l’autre pour la diffusion facilitée.
Diffusion simple : O2-CO2
Diffusion facilitée : Glucose ; eau

Peu importe le mode de diffusion en question (simple ou facilitée), ce qui les caractérise tous les deux c’est qu’ils NE NÉCESSITENT PAS une dépense d’énergie métabolique (ATP) de la part de la cellule.

(27) Nommez les quatre principes concernant la diffusion et expliquez-les.
1 – Toute substance diffuse selon son gradient de concentration.
2 – La vitesse de diffusion d’une substance est inversement proportionnelle à son volume.
3 – Plus une substance possède un coefficient de partage (solubilité dans les lipides/solubilité dans l’eau) élevé, plus elle traverse rapidement la membrane. Autrement dit, plus la molécule présente une grande surface hydrophobe, plus elle pourra traverser facilement la membrane.
4 – Les substances liposolubles traversent une membrane plus rapidement que les substances hydrosolubles.


(28) Quelle est l’importance de l’énergie cinétique pour la diffusion ? Et le potentiel électrique*, lui ? (* Voir la section 3.2.1 de ce document)
Toute substance diffuse selon son gradient électrochimique … = gradient électrique (+/-) et gradient chimique (gradient de concentration).
La diffusion facilitée
La diffusion de certaines molécules à travers la membrane peut être facilitée à l’aide de protéines spécifiques. En effet, dû aux propriétés chimiques de ces molécules ( = molécules polaires ou des ions, donc hydrophiles), leur traversée se ferait péniblement si elles devaient s’immiscer entre les queues hydrophobes des phosphoglycérolipides de la bicouche. C’est pourquoi ces molécules vont plutôt emprunter un « tunnel » reliant les milieux extracellulaire et intracellulaire.

(29) Quel type de protéine compose ces « tunnels » ? (* Revoir la question 20 au besoin)
Protéines de transport



On distingue deux modes de diffusion facilitée : la diffusion facilitée par un canal protéique et la diffusion facilitée par une perméase. Pour l’un et l’autre, les protéines de transport sont spécifiques à une substance particulière.

1. Les canaux protéiques
(30) Quelle disposition particulière des canaux protéiques nous permet de les qualifier de « véritables couloirs hydrophiles » ? Faites un schéma du canal illustrant cette disposition. (* Inspirez-vous de la figure 8.14)
Le cœur de la protéine de transport est hydrophile = canal faisant circuler les substances. Tout l’extérieur de la protéine de transport qui est en contact avec la région hydrophobe des phosphoglycérolipides est hydrophobe. Bref, les protéines de transport sont amphipathiques.





(31) Quels types de molécules sont transportées par des canaux protéiques ? Sont-elles transportées par les mêmes canaux ? Nommez le canal spécifique à chacune de ces molécules.
Des ions  canaux ioniques
De l’eau  aquaporines



(32) Nommez trois types de stimuli pouvant moduler l’ouverture et la fermeture des canaux protéiques (en général).
Potentiel électrique
Présence de certaines molécules chimiques
Déformation mécanique


L’osmose : un cas particulier de la diffusion facilitée pour l’EAU.
Quand deux solutions sont séparées l’une de l’autre par une membrane et qu’elles n’ont pas la même concentration, celle qui est la plus concentrée est dite hypertonique par rapport à l’autre qui est alors qualifiée d’hypotonique. Si les deux solutions sont de concentration égale, nous les qualifions alors d’isotonique.

Supposons qu’une membrane sépare deux solutions de concentration différente. Si cette membrane qui les sépare n’est perméable qu’à l’eau et à aucun autre soluté, l’eau diffusera alors de façon passive de la solution hypotonique vers la solution hypertonique. Il s’agit ici d’un cas particulier du transport passif par diffusion facilitée appelée l’osmose.

(33) Comment appelle-t-on les canaux protéiques responsables de faciliter le passage des molécules d’eau à travers la membrane ? (* Revoir la question 31 au besoin)
aquaporines




*** ATTENTION !!! La DIRECTION de l’osmose dépend UNIQUEMENT de la différence de concentration TOTALE du soluté de part et d’autre de la membrane, et non de la nature du soluté.

*** ATTENTION !!! L’osmose implique UNIQUEMENT la diffusion de molécules d’EAU dites « libres » !!!


Les organismes dont les cellules sont pourvues d’une membrane plasmique arrivent maintenir un état d’équilibre hydrique avec leur environnement grâce à une adaptation : l’osmorégulation.


2. Les perméases
Certaines substances ne peuvent emprunter les canaux protéiques et doivent se tourner vers un autre mode de transport (* nous sommes toujours dans le mode de transport passif par diffusion facilitée !). Il s’agit des perméases.

(34) Quels types de molécules sont transportées via des perméases ?
Mono- et disaccharides ; acides aminés ; bases azotées et nucléosides.
Pour faire un lien avec la respiration cellulaire : glucose et pyruvate.



(35) En quoi consistent ces transporteurs protéiques ? Quelle est leur fonction ? Faites un schéma du canal illustrant cette fonction.
Transportent des substances de part et d’autre de la membrane en changeant de conformation.












(36) Les perméases partagent plusieurs similitudes avec les enzymes. Nommez-en trois.
Elles ont un site actif qui est spécifique à une substance particulière.
Elles peuvent être saturées.
Elles peuvent être inhibées par une autre substance de forme ou structure similaire.







(37) Les perméases se distinguent des enzymes au moins sur une propriété. Quelle est-elle ?
Elles ne transforment la substance d’aucune façon, la perméase ne fait que la transporter d’un côté à l’autre.




Le transport actif
Certaines propriétés régissent le transport passif des substances de part et d’autre de la membrane, tel que le gradient de concentration par exemple. Or, il arrive parfois que des substances doivent être transportées de l’autre côté de la membrane et ce, à l’encontre de leur gradient de concentration. Dans ce cas, la cellule doit faire appel à un autre mode de transport membranaire : le transport actif. Cependant, ce type de transport nécessite un certain « travail » auprès de la cellule puisqu’elle doit y dépenser de l’énergie métabolique : l’ATP. Nous étudierons plus en détails cette molécule dans un prochain cours. Pour l’instant, concentrons-nous plutôt sur les principes régissant ce mode de transport.
(38) Pourquoi considère-t-on la diffusion facilitée comme un mode de transport passif ? Quelle différence majeure y a-t-il avec le transport actif ?
Parce qu’il NE NÉCESSITE PAS l’apport d’énergie de la part de la cellule. Les substances diffusent selon leur gradient de concentration dans la diffusion facilitée alors que dans le transport actif les substances sont transportées à l’encontre de leur gradient chimique.



(39) Quel est le rôle du transport actif ?
Transporter des substances à l’encontre de leur gradient de concentration afin de le rétablir et le maintenir. La présence d’un gradient chimique pourra engendrer un travail lorsque la substance pompée diffusera ensuite selon son gradient de concentration.


Tout comme pour le mode de transport passif, le mode de transport actif nécessite aussi l’intervention de protéines de transport enchâssées dans la membrane plasmique.

(40) Comment la molécule d’ATP intervient-elle lors du transport actif ?
Elle perd un groupement phosphate qui est transférée sur le substrat par une kinase, ce qui entraîne un travail.

(41) Nommez trois exemples de pompes fonctionnant selon le mode de transport actif et les ions impliqués dans chacune d’elles ?
Pompe Na+/K+
Pompe H+
Pompe H+/K+ ou Ca 2+ ou Cl- …

Le potentiel de membrane
Vous savez maintenant que la présence d’une membrane amène une distribution différentielle des molécules de part et d’autre de celle-ci se soldant par l’apparition d’un gradient de concentration. Cette différence de répartition des ions (anions et cations) dote la membrane d’une autre propriété : elle est chargée. En effet, les milieux interne et externe de la cellule présentent une différence de potentiel électrique. C’est le potentiel de membrane et varie entre -50 et -200 mV selon les types de cellules. L’intérieur de la cellule est donc négatif par rapport à l’extérieur.

Le potentiel de membrane influe sur le mouvement des molécules chargées puisque celles-ci s’en trouvent attirées vers leur pôle opposé. Les molécules chargées positivement ( = cations) tendront donc à se diriger vers l’intérieur de la cellule parce que son intérieur est négatif par rapport au milieu extracellulaire. À l’inverse, les molécules chargées négativement ( = anions) tendront plutôt à se diriger vers l’extérieur de la cellule qui est chargé positivement par rapport à l’intérieur de la cellule. Rappelez-vous que ces mouvements d’ions sont ESSENTIELS au bon fonctionnement des cellules, plus précisément encore, celui des cellules nerveuses !
Ainsi, le déplacement des ions à travers les membranes est régi selon deux types de forces : l’énergie libre associée au gradient de concentration ainsi que le potentiel électrique attirant les charges positives ( = cations) vers l’intérieur de la cellule et les charges négatives ( = anions) vers l’extérieur de la cellule. La combinaison de ces deux forces est appelée gradient électrochimique. *Retournez maintenant à la question 28 afin de réviser votre réponse, s’il y a lieu.

Les cellules doivent être en mesure de maintenir leur potentiel de membrane afin d’assurer leur bon fonctionnement. Une protéine de transport qui engendre un potentiel électrique de part et d’autre de la membrane est appelée pompe électrogène.

(42) Quelle est la pompe responsable d’engendrer un tel potentiel électrique chez les cellules Animales ? Décrivez brièvement son fonctionnement. Voir la figure 8.15.
La pompe Na+/K+. Une kinase transfère le groupement phosphate de l’ATP sur la protéine de transport ce qui provoque son changement de conformation et entraîne le transport de 3 Na+ à l’encontre de son gradient de concentration. Une fois le sodium traversé, 2 K+ embarque dans la pompe, le groupement phosphate est relâché et entraîne le retour de la protéine de transport vers l’intérieur de la membrane pour y faire rentrer le K+.


(43) S’agit-il de la même pompe chez les cellules Végétales ? Comment agit-elle dans ce cas-ci ?
Non, c’est une pompe à protons couplée à une perméase. La pompe H+ transporte des protons contre leur gradient de concentration pour générer un gradient (= transport actif).


(44) Quelle est l’utilité pour la cellule de créer un tel potentiel électrique de part et d’autre de la membrane ?
Ce processus emmagasine de l’énergie sous forme de potentiel électrique : un flux d’ions suivant leur gradient électrochimique permet de produire un travail, comme c’est le cas notamment de la force protonmotrice qui active l’ATP synthétase lors de la phosphorylation oxydative de la respiration cellulaire aérobique.

Le cotransport
Les pompes permettent à la cellule de maintenir (ou de renouveler) leur potentiel électrique de membrane en transportant de façon active ( = transport actif ; = coût d’énergie ; = ATP) des molécules contre leur gradient de concentration. Cette action peut enclencher indirectement le transport passif d’une autre molécule via une protéine de transport : la perméase (Section 3.1.1 – 2.).

(45) Comment fonctionne le cotransport ?
La pompe H+ transporte des protons contre leur gradient de concentration pour générer un gradient (= transport actif). Les protons vont ensuite retourner à l’intérieur de la cellule en passant par une perméase (= transport passif), mais ne peuvent traverser que s’ils sont accompagnés de saccharose.
Vous connaissez maintenant plusieurs voies de transport pouvant être empruntées par les molécules pour voyager de part et d’autre de la membrane. Cependant, nous n’avons pas encore exploré toutes les possibilités … Eh non ! ce n’est pas encore fini ! Les plus grosses molécules, telles que les granules, les microorganismes et les macromolécules (polysaccharides, protéines) ne peuvent franchir la membrane via les différentes protéines de transport disponibles (canaux ioniques, pompes, perméases). Ces molécules devront faire appel à d’autres moyens de transport qui nécessitent eux aussi l’apport d’énergie ( = transport actif) : les vacuoles et les vésicules.

L’exocytose : l’exportation de molécules
La cellule peut exporter, c’est-à-dire déverser à l’extérieur ( = sécréter), des macromolécules grâce à des vésicules de sécrétion qui se fusionnent avec la membrane plasmique. Lorsque la vésicule entre en contact avec la membrane plasmique, les deux membranes se réarrangent, ce qui déverse le contenu de la vésicule à l’extérieur.

Phagocytose : l’importation de molécules
Lorsqu’une cellule doit importer, c’est-à-dire introduire ( = ingérer), de très grosses molécules, des prolongements cytoplasmiques émanent de la membrane cellulaire et englobent les particules à l’intérieur d’une vacuole. Celle-ci fusionnera ensuite avec un lysosome qui les digèrera ( = hydrolyse) grâce à ses enzymes hydrolytiques. Les fragments issus de cette digestion pourront ensuite être utilisés dans diverses fonctions cellulaires.

L’endocytose : l’importation de molécules
L’endocytose est un autre mode d’importation de molécules à l’intérieur de la cellule. Dans ce cas-ci, une portion de la membrane plasmique s’invagine et forme une poche qui se détache pour former une vésicule contenant la matière. On distingue deux types d’endocytose : la pinocytose et l’endocytose par récepteur interposé.

(46) Comparez le mécanisme d’action de ces deux types d’endocytose.
Pinocytose : la cellule absorbe des gouttelettes du liquide extracellulaire en s’invaginant et formant une vésicule qui se referme sur son contenu en se détachant de la membrane. C’est exactement le processus inverse de l’exocytose, mais dans des directions opposées et de contenu différent.

Endocytose par récepteur interposé : Sur le feuillet externe de la membrane se trouvent des récepteurs protéiques alors que le feuillet interne de la membrane est tapissé de clathrine. Les récepteurs sont spécifiques à une molécule particulière. Dès que le bon type de molécule se fixe sur le récepteur, la membrane s’invagine et forme une vésicule enrobée de clathrine. L’avantage de ce type d’endocytose est que la cellule peut ingérer que des substances particulières puisque c’est leur liaison sur le récepteur protéique qui provoque l’endocytose, comparativement à la pinocytose qui laisse entrer pratiquement n’importe quoi qui s’amasse dans la vésicule.

BON COURAGE A TOUS §§§§