Degrés de perméabilité des membranes plasmiques en diffusion passive

Degrés de perméabilité des membranes plasmiques en diffusion passive!

Les membranes d'une cellule traversent de petits ions et molécules. Le passage des ions ou des molécules peut se produire sous forme de diffusion passive ou de transport actif faisant évoluer la dépense d'énergie. En diffusion passive, les membranes peuvent être classées selon leur degré de perméabilité.

1. imperméable :

Une telle membrane ne permet pas de la traverser. Certains œufs de poisson non fertilisés, tels que la truite, ne sont perméables qu’aux gaz; l'eau marquée au deutérium ne pénètre pas dans l'œuf.

2. semi - perméable :

Aucune membrane cellulaire des cellules n'appartient à cette catégorie. De telles membranes permettent à l'eau, à certains ions sélectionnés et aux molécules SMA de traverser, mais interdisent les autres ions ainsi que les petites et les grosses molécules.

3. perméable sélective :

La plupart des membranes des cellules appartiennent à cette catégorie. De telles membranes permettent à l'eau, à certains ions sélectionnés et à de petites molécules de passer, mais interdisent les autres ions ainsi que les petites et les grosses molécules.

4. Membranes de dialyse :

Les cellules endothéliales et leurs membranes basales des capillaires et du néphron peuvent jouer le rôle de dialyseur. De cette manière, la pression hydrostatique oblige les molécules d’eau et les cristalloïdes à travers la membrane à descendre dans les gradients de concentration tout en limitant le passage des colloïdes.

Le transport de substances à travers la membrane plasmique dans le cytoplasme d'une cellule peut être réalisé par les méthodes suivantes:

Osmose:

L'osmose est un type spécial de diffusion qui implique le mouvement de l'eau ou d'autres molécules de solvant à travers une membrane semi-perméable ou différentiellement perméable d'une zone à fort potentiel (solvant pur) vers une zone à faible potentiel (solution plus concentrée).

L'entrée d'eau dans la cellule à partir de son milieu s'appelle une endosmose; le processus inverse dans lequel l'eau quitte la cellule s'appelle l'exosmose. Une pression osmotique est maintenue par les sels présents dans le cytoplasme. La cellule reste toujours dans un milieu liquide ou fluide pour l'échange physiologique de gaz, d'éléments nutritifs, etc. Ce fluide est généralement désigné par un fluide extra-cellulaire (ECF). Dans les protozoaires et autres organismes inférieurs, c'est de l'eau. En fonction de la concentration, l'ECF peut être.

(i) Solution isotonique :

Si la concentration en ECF dans laquelle la cellule est présente est similaire à celle du liquide intracellulaire de la cellule, elle est appelée solution isotonique. La forme de la cellule reste normale.

(ii) solution hypotonique :

Si la concentration en ECF est moins concentrée que le liquide intracellulaire, on parle de solution hypotonique. Dans une telle solution, la cellule gonfle à cause de l'eau atteignant la cellule par endosmose.

(iii) Solution hypertonique :

Si la concentration d'ECF est supérieure à celle du liquide intracellulaire de la cellule, la solution est appelée solution hypertonique. Dans ce cas, l'eau diffuse hors de la cellule par exosmose. En conséquence, la cellule subit une plasmolyse.

Transport passif:

Le transport passif consiste en une diffusion directe de l’eau, des ions ou des molécules de diverses substances traversant la membrane plasmique d’une région à concentration élevée à une concentration faible. Le transport des molécules s'effectue le long du gradient de concentration, de sorte qu'aucune énergie n'est nécessaire à la diffusion.

Diffusion simple :

Selon un grand nombre de preuves, de nombreuses substances traversent la membrane plasmique à un taux de diffusion libre directement proportionnel à leur solubilité dans les lipides. Les molécules d'eau constituent une exception notable à cette règle, puisqu'elles diffusent librement à travers les membranes, régulièrement et rapidement.

La membrane plasmique supposée contenir deux types de pores:

i) canaux aqueux fins :

Ceux-ci sont présents via une protéine ou entre des protéines intégrales en cluster. Ces pores ont un diamètre de 10 nm et sont de nature permanente. Ceux-ci s'étendent à travers toute la bicouche lipidique. Ces pores agissent comme des ouvertures valvulaires. Certains pores sont chargés positivement, d'autres sont négatifs.

ii) pores statistiques :

Ces pores sont instables. Ils continuent à apparaître et à disparaître. Celles-ci sont formées comme des lacunes dans la bicouche lipidique très fluide. Ceux-ci sont formés en raison du mouvement thermique aléatoire des phospholipides membranaires. Les substances traversent facilement ces pores si elles sont solubles dans les lipides (Overton). C'est pourquoi les substances hydrophobes de poids moléculaire faible et élevé peuvent traverser la membrane plasmique.

La vitesse relative de diffusion des molécules à travers la membrane dépend de la taille des molécules; gradient de concentration à travers la membrane; et la solubilité dans les lipides ou la nature hydrophobe de la molécule. Collander et Barlund, dans leurs expériences classiques avec des cellules de plante, Chara ont démontré que la vitesse de pénétration du substrat dépend de leur solubilité dans les lipides et de la taille de leurs molécules.

La perméabilité (P) des molécules à travers la membrane est représentée par une formule:

P = KD / t

Où K est le coefficient de partage; D est le coefficient de diffusion (dépend du poids moléculaire) et t est l'épaisseur des membranes. Le coefficient de partage dans les membranes cellulaires est similaire à celui de l'huile d'olive et de l'eau. Le coefficient de partage peut être mesuré en mélangeant le soluté avec un mélange huile / eau et en attendant que les phases soient séparées.

Le coefficient de partite (K) est la concentration de soluté dans l'huile divisée par la concentration de soluté en phase aqueuse. Le coefficient de diffusion (D) peut être déterminé en utilisant des solutés radioactifs et en mesurant leur vitesse d’entrée dans le cytoplasme à diverses concentrations externes.

Diffusion facilitée:

La diffusion d'une substance à travers une membrane se produit toujours d'une région de concentration supérieure d'un côté à une région de concentration inférieure de l'autre. Mais ce n'est pas toujours le cas puisque de nombreux exemples ont été découverts dans lesquels une protéine, une perméase existe dans la membrane plasmique, ce qui facilite le processus de diffusion. Ce mécanisme s'appelle la diffusion facilitée. Ce processus est le plus commun dans le mouvement des sucres et des acides aminés.

La présence de perméase dans la membrane offre une voie à travers la membrane qui constitue une alternative à la couche lipidique. La liaison du soluté sur la surface externe de la membrane déclencherait un changement de conformation de la perméase, exposant le soluté à la surface interne de la membrane à partir de laquelle il peut diffuser dans le cytoplasme jusqu'à son gradient de concentration.

Les caractéristiques de la diffusion facilitée sont:

(i) Le taux de transport des molécules à travers la membrane est beaucoup plus grand que prévu d'une simple diffusion

(ii) Les perméations sont très spécifiques et chacune ne transporte qu'un seul ion spécifique ou un groupe de molécules étroitement apparentées.

(iii) L' augmentation du gradient de concentration entraîne une augmentation correspondante du taux de transport.

Comme dans le cas des enzymes, les permeases qui facilitent la diffusion montrent des kinétcs de type à saturation. Si une substance (S) est présente initialement à l'extérieur de la membrane plasmique, son transport à l'intérieur peut être représenté par les équations suivantes:

S (sortie) + permease km = complexe S-permease Vmax

Ici, S est le substrat, Km est la constante de liaison du substrat à la perméase et Vmax est le taux de transport maximal. Si, la concentration de S à l'extérieur est C, le taux de transport peut être calculé comme suit:

V = Vmax / 1 + C / Km

Transport actif:

La diffusion des ions à travers les membranes est encore plus difficile car elle dépend non seulement du gradient de concentration, mais également du gradient électrique présent dans le système. Le transport actif étant un processus allant à l’encontre d’un gradient de concentration, il n’est pas surprenant que l’équipe demande une dépense d’énergie importante.

Le processus implique l'utilisation de molécules porteuses dans la membrane cellulaire proprement dite. Ces molécules porteuses font apparemment la navette entre les surfaces interne et externe de la membrane cellulaire et capturent ou libèrent un ion particulier en cours de régulation. L'énergie nécessaire à ce processus provient de l'adénosine triphosphate (ATP), produite principalement par phosphorylation oxydative dans les mitochondries.

D'après le tableau 2.1 ci-dessous, il est évident que la concentration d'anions non diffusibles est importante dans une cellule et qu'un gradient électrique est établi à travers la membrane.

Tableau 2.1

Affichage de la concentration ionique et du potentiel constant du muscle

Donnan (1911) a prédit que si une cellule ayant une charge négative non diffusible à l'intérieur était mise dans une solution de Cl ^-, K ⁺ serait entraîné dans la concentration de la cellule et le gradient électrique. Les ions Cl, quant à eux, seront entraînés par le gradient de concentration, mais seront repoussés par le gradient électrique. Selon Donnan, les concentrations d'équilibre seront exactement réciproques.

(K ⁺ in) / (K ⁺ out) = (CI ^- out) / (CI ^- in)

La relation entre le gradient de concentration et le potentiel de membrane au repos est donnée par l'équation de Nernst.

E = RT en C ₁ / C ₂

Où E est donné en millivolts, R est la constante de gaz universelle et T est la température absolue. À partir de (i) et (ii), l’équilibre de Donnan pour KC1 peut être exprimé

E = RT In (K ⁺ in) / (K ⁺ out) = RT In (C1 ^- out) / C1 ^- in)

Transport actif d'ions ou de pompe à sodium:

Les ions potassium (K ⁺ ) sont le soluté le plus activement pompé dans les cellules. On pense que la force motrice de ce transport entrant est un gradient de sodium (Na ⁺ ) à travers la membrane, créé par le transport actif de l’ion Na pompé hors du cellule.

La concentration d'ions (Na ⁺ ) à l'extérieur de la membrane devient élevée là où la concentration interne devient faible. L'énergie nécessaire au pompage des ions Na ⁺ est fournie par l'ATP. En présence d'ATPase activée par Mg ⁺⁺, la molécule d'ATP est hydrolysée et on pense que l'ATPase est située dans la membrane.

La pompe à Na ⁺ - a été découverte par Hodkin et Keynes (1955) et associée à l'hydrolyse de l'ATP in vitro par Skou (1957). Deux mécanismes distincts de la pompe à Na ⁺ ont été décrits pour les cellules animales. Ceux-ci sont:

i) Pompe à échange de sodium et de potassium:

Dans une telle pompe à Na ⁺, le pompage des ions Na ⁺ vers l'extérieur est lié au transport des ions Ç vers l'intérieur. Comme Na ⁺ et K ⁺ sont échangés de manière obligatoire, le mouvement sortant de Na ⁺ s'accompagne toujours d'un mouvement entrant de K ⁺ . Une telle pompe se produit dans les cellules nerveuses et les cellules musculaires.

ii) Pompe Na ⁺ électrogénique:

Dans cette pompe, il n'y a pas d'échange obligatoire d'ions K ^{+ se} déplaçant vers l'intérieur et d'ions Na ^{+ se} déplaçant vers l'extérieur. Dans cette pompe, un gradient de potentiel électrochimique peut être généré lorsque la sortie des ions Na ⁺ n'est pas compensée par une entrée individuelle de K ⁺ .

Les cellules aérobies ont besoin d'une concentration intracellulaire d'ions K ⁺ élevée, quelle que soit la concentration externe de Na et de K ⁺ . La concentration élevée en K ^{+ à} côté de la cellule est nécessaire à la synthèse des protéines et à la glycolyse. La concentration élevée en K ⁺ de la cellule doit être compensée par la perte de certains cations tels que le Na ⁺, sinon un gonflement excessif provoquerait l'éclatement de la cellule en créant une condition de pression osmotique interne plus élevée.

Le transport actif du glucose dans les cellules est une autre conséquence de l'action d'une pompe électrogénique à Na ⁺ . L'extrusion de Na ^{+ à} partir de la cellule génère un gradient de concentration interne faible et externe supérieure en Na ⁺ . Transport actif de sucre réalisé dans des conditions dans lesquelles la concentration externe de Na ⁺ est maintenue suffisamment élevée pour créer un gradient approprié dont l'énergie entraîne les métabolites dans la cellule à partir d'une solution externe très diluée de sucre. L'accumulation de sucres est compilée pour l'extrusion de Na ⁺ et est également assistée par des protéines porteuses spécifiques.

Translocation à travers la membrane :

Les protéines porteuses assistent les molécules hydrophiles sur une épaisseur de membrane de 6 à 10 nm. Les métabolites étant considérablement inférieurs à 6 nm, il est important de savoir comment ces molécules sont transférées sur cette distance relativement importante par les transporteurs. Plusieurs alternatives ont été proposées, mais deux ont été étudiées plus intensivement que les autres possibilités.

Une hypothèse alternative postule que le support se lie à la molécule hydrophile et qu'ensuite toute la protéine de transport tourne à travers la membrane et délivre son métabolite lié de l'autre côté. La seconde alternative propose que le support soit fixé en place dans la membrane et que la molécule de support subisse un changement de conformation qui transfère le site de liaison à travers la membrane et le métabolite lié en même temps.

Une fois le métabolite transféré, le site de liaison est libéré et rétabli dans sa conformation d'origine, prêt à se lier à une autre molécule hydrophile lors d'un autre événement de transport. Cette seconde alternative a été appelée mécanisme à pores fixes. La première alternative est connue sous le nom de mécanisme de support.