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Les gardiens de la cellule : comment les protéines de transport déterminent-elles quelles molécules peuvent entrer dans la cellule ?
En biologie cellulaire, le transport membranaire fait référence à un groupe de mécanismes qui régulent le mouvement des solutés (tels que les ions et les petites molécules) à travers les membranes biologiques. Ces membranes biologiques sont principalement composées de bicouches lipidiques contenant des protéines. La perméabilité sélective des membranes biologiques leur permet de séparer des substances en fonction de leurs propriétés chimiques. En d’autres termes, certaines substances peuvent pénétrer dans les cellules, tandis que d’autres ne le peuvent pas. Le mouvement de la plupart des solutés s'effectue à travers des protéines de transport membranaire, qui présentent divers degrés de spécialisation dans le transport de molécules spécifiques.
Un ensemble spécialisé de transporteurs peut exister pour chaque type de cellule et sa phase physiologique spécifique.
La diversité des cellules et leurs caractéristiques physiologiques étant étroitement liées à la capacité à attirer des éléments extérieurs, la régulation de ce phénomène est contrôlée par la transcription et la traduction différentielles des gènes codant ces transporteurs, et ces processus peuvent être contrôlés par des mécanismes cellulaires. voies de signalisation Elle est activée au niveau biochimique, même au sein du réticulum endoplasmique de la cellule.
Contexte
Le flux de substances peut suivre des gradients de concentration ou électrochimiques, ou s'écouler dans la direction opposée. Si la substance s'écoule dans le sens du gradient de concentration, c'est-à-dire dans le sens de la concentration décroissante, aucun apport d'énergie externe n'est nécessaire ; en revanche, si le transport s'effectue dans le sens opposé du gradient, un apport d'énergie métabolique est nécessaire.
Dans les solutions non miscibles, l’eau s’écoulera spontanément de la concentration la plus faible vers la concentration la plus élevée du soluté pour atteindre l’équilibre.
La membrane biologique est de nature amphiphile, elle forme une couche hydrophobe interne et une couche hydrophile externe. Cette structure permet aux substances d'entrer ou de sortir de la cellule par diffusion passive. Lorsque la substance transportée possède une charge nette, elle est affectée non seulement par le gradient de concentration mais également par le gradient électrochimique provoqué par le potentiel de membrane. Bien que seul un petit nombre de molécules puissent diffuser à travers les membranes lipidiques, la plupart des processus de transport reposent sur l'aide de protéines de transport membranaire.
Principes de la thermodynamique
Les processus physiologiques doivent obéir à des principes thermodynamiques de base. Le transport membranaire suit des lois physiques qui déterminent sa fonction biologique. Un principe thermodynamique important pour le transfert de masse à travers les membranes biologiques est le changement d’énergie libre.
Lorsque C2 est inférieur à C1, ΔG est négatif et la réaction a tendance à se dérouler spontanément.
L'équilibre de ce processus est atteint lorsque C1 est égal à C2 et ΔG=0. Il existe trois autres situations dans lesquelles une macromolécule peut se lier préférentiellement à un composant ou modifier ses propriétés chimiques d'un côté de la membrane, ce qui entraînerait un manque de gradient pour piloter le transport même si la concentration du soluté reste différente des deux côtés . Le potentiel présent dans la membrane peut également affecter la distribution des ions.
Types de transport
Diffusion passive et diffusion activeLa diffusion passive est un phénomène spontané qui augmente l'entropie d'un système et diminue son énergie libre. La vitesse de ce processus dépend des caractéristiques de la substance transportée et des propriétés de la bicouche lipidique. En revanche, la diffusion active est le transport de solutés contre un gradient de concentration ou électrochimique, un processus qui consomme de l'énergie, généralement de l'ATP. L’existence de ce transport permet aux cellules de contrôler la stabilité de leur environnement interne et de maintenir le fonctionnement normal des processus vitaux.
Protéines de transport actif secondaires
Les protéines de transport actif secondaire partagent l’énergie avec les ions et le font en transportant deux substances simultanément. Selon le sens de transport de ces deux substances, les protéines de transport peuvent être divisées en protéines de transport inverse et en protéines de co-transport, qui transportent respectivement une substance dans la direction opposée.
Fonctionnement de la pompe
Une pompe est une protéine qui transporte des solutés spécifiques en hydrolysant l'ATP. Les gradients électrochimiques générés par ce processus sont essentiels pour l’évaluation de l’état cellulaire. Par exemple, la pompe sodium-potassium est l’une des pompes importantes des cellules. Cela fonctionne à peu près comme ceci : trois ions sodium se lient au site d'activation de la pompe, puis l'ATP est hydrolysé, provoquant un changement de la structure de la pompe, libérant des ions sodium à l'extérieur de la cellule, qui à leur tour se lient aux ions potassium et pénètrent dans la cellule.
Sélectivité membranaire
La sélectivité des membranes biologiques est une caractéristique majeure du transport des substances et ce phénomène a été largement étudié. Pour la sélectivité électrolytique, le diamètre intérieur du canal ionique facilitera le passage des petits ions, tandis que l'interaction entre l'hydratation et la charge interne de la membrane est un autre facteur important. S'il peut interagir avec l'intérieur de la membrane de manière appropriée détermine également l'efficacité du transport des matériaux.
Les non-électrolytes diffusent généralement à travers la bicouche lipidique plutôt que de se dissoudre à travers elle.
Par conséquent, bien qu’il existe de nombreux mécanismes de transport fonctionnant ensemble au sein de la cellule, la sélectivité de la membrane et la spécificité des protéines de transport sont suffisantes pour obtenir une adaptation cellulaire efficace à l’environnement. La découverte et la classification des protéines de transport fournissent une base importante pour notre compréhension de la manière dont les cellules maintiennent la stabilité de leur environnement interne grâce à ces mécanismes.
Faut-il explorer et découvrir davantage ces mécanismes de transport intracellulaire pour mieux comprendre les mystères de la vie ?
