Chapitre III Fonctions de la membrane plasmique: C/ perméabilité cellulaire Médecine dentaire Dr A. DEKAR 2014-2015
Objectifs pédagogiques Objectif 1: Citer les caractères distinctifs entre le transport perméatif et le transport cytotique Objectif 2: Enumérer les variété de transports perméatifs Objectif 3: Citer les caractéristiques du transport perméatif passif Objectif 4: Donner les caractères physico-chimiques de molécules qui répondent à la diffusion simple Objectif 5: Indiquer les classes de molécules qui empruntent la diffusion facilitée Objectif 6: Comparer les caractères structuraux des perméases et des canaux Objectif 7: Comparer les modalités de transport du glucose dans 3 types cellulaires: Les érythrocytes, les adipocytes et les entérocytes.
Objectif 14: Citer les pathologies humaines liées aux dysfonctionnement des systèmes de transport perméatif et cytotique. Objectif 8: Donner les spécificités du transport de l eau dans les cellules rénales Objectif 9: Comparer les modalités de transport des ions dans les cellules musculaires et les cellules nerveuses. Objectif 10: Citer les caractéristiques du transport perméatif actif. Objectif 11: Comparer, par des exemples cellulaires les modalités des transports actifs primaire et secondaire. Objectif 12: Citer les caractéristiques du transport cytotique. Objectif 13: Enumérer les variétés du transport cytotique. Objectif 14: Expliquer, a l aide de schémas, les modalités des endocytoses.
La perméabilité cellulaire= transports membranaire la membrane assure des transports spécifiques... Transports perméatifs A l échelle moléculaire Non visibles à l observation de la cellule au ME Transports cytotiques A l échelle cellulaire Visibles en ME
A travers une membrane artificielle purement lipidique Membrane non perméable à tout type de molécules!!! La membrane assure un transport spécifique et sélectif La taille et les propriétés chimiques des molécules sont déterminantes pour leur passage ou non à travers la bicouche lipidique
Transports perméatifs Sans déformation de la membrane (échelle moléculaire) Transports à travers la phase lipidique Transports par des protéines passifs Passifs Actifs
Les variétés de transports perméatifs
Transports perméatifs passifs Le déplacement des molécules obéit au gradient de concentration /gradient électrochimique Se fait selon deux modes ne consomme pas d énergie Diffusion simple Diffusion facilitée
Le gradient de concentration: le transport se fait du Du milieu riche vers le milieu pauvre Jusqu à équilibre des concentrations
Diffusion simple Molécules hydrophobes (Degrés de partition) Apolaires (absence de charge) Si polaires elles doivent être de Petite taille. Ex de molécules : stéroïdes, benzène, glycérol, anesthésiques, gaz, alcool, urée
Diffusion facilitée Molécules polaires de grande taille: sucres, acides aminés Petites molécules chargées: Ions: Na +, K +,Cl -
Diffusion facilitée par transporteurs Glycoprotéines transmembranaires perméases Protéines poreuses GLUT Aquaporines (AQP) Canaux ioniques Connexons oses Eau Ions Petites molécules signalétiques
Les perméases
Les perméases Glycoprotéines, transmembranaires porteuses caractérisées par: Présence de site(s) de fixation pour la ou les molécule(s) à transporter sa position dans la membrane indique l orientation du / des site (s) et détermine le sens du transport. Son changement conformationnel assure le déplacement de(s) molécule(s) d un milieu vers l autre. Son fonctionnement nécessite ou pas de l énergie cellulaire
Deux modes de fonctionnement des perméases Les protéines porteuses Transport passif Transport actif
Deux modes de fonctionnement des perméases Transport passif Transport actif Suivent le gradient de concentration / gradient électrochimique Sans consommation d énergie Contre le gradient de concentration / gradient électrochimique Avec consommation d énergie
Diffusion facilitée Perméases passives GluT( Glucose Transporter) Spécifiques aux oses (glucose, fructose, galactose) Spécifiques aux acides aminés Plusieurs variétés de GluT: GLUT 1 GLUT 12.. /type cellulaire
Type de Glut Distribution tissulaire Fonction Glut1 +++ érythrocytes, Transport du glucose basal Glut 2 Glut 4 Principales variétés des Glut Cellules polariées: Pole basal des Entérocytes et cell. Rénales, faces latérales des hépatocytes Cell. Insulino-dépendantes: Adipocytes, muscle cardiaque et squelettique Transport bidirectionnel du glucose: sortie vers la circulation Transport régulé du glucose
Perméases du glucose Diffusion facilitée du glucose par les GLUT GLUT 1 GLUT 2 GLUT 4 Entrée du Glucose dans les Erythrocytes Entrée du glucose dans les adipocytes Sortie du glucose des cellules vers la circulation : cas des cell. orientées
Perméases passives du glucose Glucose MEC GLUT Variétés spécifiques du type cellulaire MEC MIC MIC GLUT 1 dans les Erythrocytes GLUT 2 dans le pôle basal des Entérocytes, cellules rénales et faces latérales des Hépatocytes
Transport du glucose
les GLUT 1 assurent l entrée du glucose dans l érythrocyte et la majorité des types cellulaires en 3 étapes (voir planche) 1Liaison & Formation du complexe 2Changement de conformation 3 Libération & Retour à la position initiale
La diffusion facilitée du glucose par les Glut 1 est contrôlée par leur disponibilité: la courbe de déplacement présente un plateau de saturation.
Les GUT 2 assurent la sortie du glucose de l entérocyte vers la circulation ( voir planche ) Glucose Glut 2 au pôle basal de l entérocyte
L expression membranaire des GLUT4 est sous contrôle hormonal (voir planche) en cas d excédant de glucose circulant, l entrée du glucose dans les adipocytes est stimulée par l insuline Le signal Insuline induit l expression membranaire des perméases GluT 4 les Glut 4 interviennent pour le stockage du glucose dans les cellules destinées à cet effet (adipocytes, cell. Muscul squelettique, cardiaques).
Conditions et mode d expression des Glut 4 au niveau des adipocytes En cas d hyperglycémie Stimulation des cellules β du pancréas Libération de l insuline par exocytose Fixation de l insuline à ses récepteurs membranaires portés par les adipocytes Cascade de signalisation intracellulaire induite par le complexe insuline- récepteur (voir cours communication cellulaire) Activation de l exocytose de vésicules intracellulaires vides dont les membranes sont riches en Glut 4 Entrée du glucose dans les adipocytes ( selon3 étapes comme par les Glut1)
Expression des Glut 4 membranaires Libération et action de l insuline sur ses cellules cibles (cas de la cellule musculaire)
Mécanisme de transport du glucose dans les cellules insulino- dépendantes: ex l Adipocyte MEC 1 insuline 5 Expression membranaire des Glut 4 Glucose 7 Dissociation 2 Signaux moléculaires 3 Migration Vésicule À Glut 4 4 Golgi exocytose 9 Endosome 6 Endocytose 8 Synthèse et modification des Glut 4 REG A. Dekar
L entrée du glucose dans les adipocytes Se fait en deux phases Transport cytotique des perméases Glut 4 Diffusion facilitée du glucose Expression des Glut 4 au niveau membranaire Entrée du glucose du MEC vers le MIC
Le diabète de type 2: une pathologie liée au transport régulé du glucose
Causes possibles Pas de sécrétion d Insuline R-insuline absents R- insuline présents mais non fonctionnels Pas d expression des Glut 4 Le glucose reste en circulation Diabète
Les protéines poreuses = Les canaux
Les protéines canaux (voir P 56) Canaux hydriques Aquaporines Connexons = jonction Gap Canaux à ouverture permanente Canaux ioniques Canaux à ouverture contrôlées Canaux Mécano-dépendants Canal voltage dépendant Canal ligand dépendant
Les aquaporines
Découverte De grands volumes d'eau circulent dans notre corps de cellules en cellules. La diffusion des molécules d'eau au travers des membranes cellulaires n'explique pas la circulation de telles quantités d'eau. En effet, ces transports sont assurés par des protéines membranaires poreuses (canal) qui transportent spécifiquement l eau: ce sont les aquaporines (AQP)
Les aquaporines ont été découvertes par Peter Agre (Prix Nobel 2003). Actuellement, on dénombre 13 aquaporines chez les mammifères: AQP O, AQP1 AQP 12 L aquaporine 1 humaine est exprimée dans de très nombreux tissus : érythrocytes, tubules rénaux, coeur, rein, muscle squelettique, foie, pancréas,... les variétés d AQP ont une distribution tissulaire spécifique:
Répartition des aquaporines et des canaux ioniques dans la membrane
Diffusion facilitée de l eau La structure de l AQP: Chaque AQP est un tétramères qui délimite un pore. Le diamètre du pore permet le passage des molécules d eau une à une à la manière d un sablier
transport de l eau dans les cellules rénales fait intervenir plusieurs types d AQP (AQP 2, AQP 3 et AQP 4)
L expression des AQP 2 au pôle apical répond au signal vasopressine, (hormone impliquée dans le contrôle de l hydratation des tissus) dont les récepteurs sont situés au pôle basal.
L eau qui rentre du pôle apical par les AQP2 est libérée dans la circulatio par les faces latéro-basales grâce aux AQP 3 et AQP4
Les protéines canaux (voir P 56) Canaux hydriques Aquaporines Connexons = jonction Gap Canaux à ouverture permanente Canaux ioniques Canaux à ouverture contrôlées Canaux Mécano-dépendants Canal voltage dépendant Canal ligand dépendant
Les connexons (voir jonctions intercellulaires ) Connexons
Les canaux ioniques
Canaux ioniques Canaux à ouverture permanente Canaux à ouverture Contrôlée Canal Mécanodépendants Canal voltage dépendant Canal ligand dépendant
Le gradient de concentration / gradient électrochimique Gradient Cl - Gradient K+
Le passage des ions par les canaux suit le gradient électrochimique spécifique à chaque ion +++++++++++++++++++++++ --------------------------------------
La concentraction des ions dans le MIC et le MEC est différente. Ce gradient électrochimique détermine le potentiel de membrane et le sens du transport de chaque ion
Structure Les transporteurs canal sont des protéines multimériques qui délimitent un pore aqueux Ouverture permanente Ouverture contrôlée
Reconstitution tridimensionnelle des canaux ioniques
Les facteurs de contrôle de l ouverture des canaux ionique)s (voir planche)
Cas des canaux mécano-dépendants N est pas à retenir Répondent à la déformation membranaire. Ex: cerveau, oreille interne
Le pore du canal est sélectif pour chaque ion. les ions passent suivant leur gradient électrochimique
Canal à ouverture contrôlée par un ligand Le ligand peut être externe (neurotransmetteur) ou interne (messagers secondaires )
Les Canaux à ouverture contrôlée par un ligand sont perméables à des cations ( Rn-Ach) ou des anions (R- GABA) Ligand c est l Ach, /nicotine & l Ion c est le Na+ Ligand c est le GABA, & l Ion c est le Cl -
Ouverture contrôlée par la dépolarisation membranaire = inversion de la répartition des charges
Intervention des canaux ioniques dans le déclenchement de la contraction musculaire (Voir COMMUNICATION CELLULAIRE )
Dans la synapse neuro-musculaire, les canaux ligands dépendants et les canaux voltage dépendants sont activés progressivement Tubule T
l ouverture séquentielle des canaux ioniques assure la propagation de l onde de dépolarisation de la membrane neuronale à la membrane musculaire
Mécanisme électrique de la contraction musculaire
La fixation de L Ach sur son récepteur ouvre un canal Na+ et dépolarise localement la membrane
L inversion locale des charges induit l ouverture des canaux voltage dépendants d où propagation de l influx
l influx amène l entrée du Ca++ extra cell. et la libération du Ca++ stocké dans le RS ce qui permet la contraction
Les transports perméatifs actifs
Transport actif se fait contre le gradient de concentration/ électrochimique consomme de l énergie Perméases actives
Perméases actives Transport actif Primaire Energie ATP protéines enzymes = ATPases = Pompes Energie Gradient Na+ Transport actif Secondaire Perméases de co-transport ATPase Ca++ ATPase H+ ATPase Na+/K+ Symport Ex: Glucose /Na+ Antiport Ca++/Na+ Dekar
Transports actifs Iaire et IIaire
Transport actif primaire
Cas de la pompe ou ATP ase Na+ / K+ dépendante Structure (voir P 83) Site d hydrolyse d ATP site de phosphorylation 3 Sites de fixation de Na + 2 sites de fixation de K+ / site de fixation d un inhibiteur des sites K+ :l Ouabaïne
L ATP ase contrôle les canaux de fuite pour le maintien de la différence de répartition des charges responsable du potentiel de repos membranaire
Na+ La phosphorylation de l ATP ase induit la libération de 3Na+ dans le MEC
K+ La déphosphorylation de l ATP ase induit la libération de 2 K+ dans le MIC
L OUABAINE bloque l entrée du K+ et donc le fonctionnement de la pompe voir (P.83)
transport actif secondaire Perméases de co- transport Perméases - symport Perméases antiport EX: Na+ / Glucose dans le même sens EX: Na+ / Ca++ dans des sens opposés Pôle apical des entérocytes et des cellules rénales À la surface des cellules cardiaques Dekar
Perméases de co- transport Perméases - symport EX: Na+ / Glucose dans le même sens Pôle apical des entérocytes et des cellules rénales
l entrée du glucose de la lumière vers les cellules intestinales (gauche) et rénales (droite) est active
Entrée du glucose par le pôlle apical en utilisant un système de co-transport symport: la Sglut Na=/Glucose (voir Planche )
Na+ MEC MIC Glucose
Compartimentation des transporteurs du glucose Dans les cellules épithéliales à microvillosités
Perméases de co- transport Perméases antiport EX: Na+ / Ca++ dans des sens opposés À la surface des cellules cardiaques
La régulation de la force de contraction des cellules cardiaques est assurée par la perméase de co transport antiport Na+/ Ca++
Une des thérapies de l insuffisance cardiaque est le blocage du Co-transport Na+/Ca++ à travers l inhibition de la pompe Na+/K+ Traitement cardiotonique l insuffisance cardiaque Ouabaine ATPase Pas de gradient Na+ Arrêt du transport actif II aire Augmentation de la force de contraction du muscle cardiaque Disponibilité intracellulaire du Ca++ Pas de sortie du Ca++ Dekar
Transports cytotiques
Transports cytotiques caractéristiques déforment la membrane utilisent le cytosquelette consomment de l énergie emballage des produits dans des compartiments membranaires ( vésicules lisses/ recouvertes) ou vacuoles
Transports cytotiques Entrées = endocytose Sortie = exocytose Pinocytose Phagocytose Constitutive Régulée Endocytose par récepteurs
Endocytose & exocytose
Endocytose
entrées = endocytoses Pinocytose Phagocytose Endocytose par récepteurs
La pinocytose concerne l entrée de petites molécules dissoutes dans le liquide extracellulaire (Voir Schéma 18, P 59)
4étapes Piégeage et invagination de la mb Pincement des bords de la mb Formation d une vésicule lisse (100 nm de Ø) fusion avec l endosome
Notion d endosome
Devenir des produits d endocytose Vésicules lisses Fusion Endosome précoce PH 7 Vésicules recouvertes après déshabillage Fusion Vésicules à hydrolases Endosome tardif ph 6 Fusion Lysosome ph 5 Dégradation et nutrition de la cellule
Les vesicules à hydrolases sont produites par le réseau trans Golgi et destinées aux endosomes
La phagocytose
La Phagocytose concerne l entrée de complexes moléculaires solides dans les cellules phagocytaires (Voir Schéma 19, P 59)
Initiation de la phagocytose Les AC se fixent à la surface des Bactéries ce qui les rend identifiable par les macrophages macrophage Macrophage phagocytaire
Étapes de de la phagocytose Séquestration Voiles hyaloplasmiques Hydrolyse acide du contenu Exocytose des déchets
Le phagosome = vacuole de phagocytose
Endocytose par récepteurs Caractéristiques
Endocytose par récepteurs: concerne les molécules faiblement concentrées et nécessaires aux cellules. Elle utilise un revêtement protéique de type: clathrine ou cavéoline
Trois finalités pour l endocytose par récepteurs Voie de nutrition Voie de signalisation Voie d infection virale Entrée des LDL dans les cellules Voir communication cellulaire Entrée du complexe : ligand-r Pour la signalisation Ex: R- Insuline Entrée du complexe : ligand-r pour l arrêt de la signalisation Ex: R- Glucagon Entrée des virus par liaison: R- cell. protéines virales
Modalités du déroulement de l endocytose par récepteurs Récepteurs déjà préparés dans des puits recouverts EX1 récepteurs aux LDL Récepteurs fixent le ligand et migrent vers les puits recouverts EX2 des récepteurs à l insuline (Voir communication cellulaire)
Le manteau vésiculaire de clathrine Le monomére protéique (triskelion ) est une protéine libre dans le cytosol.les monomères s associent et forment un réseau polygonal entourant les membranes vésiculaires
Mise en place du manteau protéique et formation de la vésicule recouverte
Etapes de l internalisation des vésicules recouvertes 1 3 2 4
La fixation du ligandentraine la migration du complexe R-ligand dans des dépressions de la membrane: les puits recouverts
EX2 Les complexes récepteur- ligand migrent vers les puits recouverts
EX 1 Endocytose par récepteurs : voie de nutrition EX: endocytose des particules de LDL: : entrée du cholestérol dans les différents types cellulaires (Voir planche tirage)
Composition moléculaire de la particule de LDL Molécule de cholestérol Monocouche de phospholipides APOB Esters de cholestérol
Les récepteurs de LDL sont regroupés dans les puits recouverts de clathrine
MEC Particule de LDL Récepteur LDL MIC Vésicule recouverte De clathrine Perte de clathrine Vésicule lisse Exocytose Vésicule de recyclage des R-LDL Endosome précoce ph= 7 Vésicules à hydrolases Endosome tardif Découplage R-LDL ph= 6 Acides aminés H+ H+ Perméase d entrée Cholésterol ph= 5 Oses ATPase H+ Détail d une vésicules à hydrolases Lysosome: égradation des LDL et libération du choléstérol Mécanisme de l internalisation des particules de LDL: utilisation du cholestérol par tous les types cellulaires
l hypercholestérolemie familiale: une pathologie liée à l altération des récepteurs de LDL
Devenir des molécules internalisées dans la cellule
L endocytose par récepteurs: Voie de signalisation Entrée du complexe : ligand-r Pour la signalisation Ex: R- Insuline Entrée du complexe : ligand-r pour l arrêt de la signalisation Ex: R- Glucagon Voir communication intercellulaire
L endocytode par récepteurs: voie d infection virale
Endocytose par récepteurs indépendante de la clathrine/ Dépendante de la cavéoline
EXOCYTOSE
Exocytose
Exocytose = Sortie Constitutive Régulée Permanente Compensatrice de la pinocytose A la demande Obéit à un signal
Deux voies d exocytose: constitutive & régulée
Fusion membranaire dans l exocytose
Extrusion / excrétion du produit
Fin