Membranes cellulaires et transport

Chaque cellule est enveloppée d'une membrane plasmique 细胞膜. Nous décrivons sa structure avec le modèle mosaïque fluide 流动镶嵌模型.

La bicouche phospholipidique

La membrane est constituée principalement de phospholipides 磷脂. Chaque phospholipide possède une tête hydrophile 亲水 (« aimantant l'eau ») et deux queues hydrophobes 疏水 (« redoutant l'eau »). Il y a de l'eau des deux côtés de la membrane, donc les phospholipides s'alignent en deux couches — une bicouche 双层 — avec les têtes tournées vers l'eau extérieure et intérieure, et les queues cachées au milieu, loin de l'eau. Cette disposition s'établit d'elle-même grâce aux interactions hydrophiles et hydrophobes.

Le modèle est qualifié de « fluide » car les phospholipides ne sont pas fixes : ils glissent les uns sur les autres, permettant à la membrane de bouger et de se courber. On l'appelle « mosaïque » car de nombreux protéines 蛋白质 y sont dispersés, comme des tuiles dans une image.

Ce qui flotte dans la membrane

Ainsi, les molécules membranaires confèrent ensemble à la membrane sa stabilité 稳定性, sa fluidité, sa perméabilité 通透性 (contrôle de ce qui passe), ses fonctions de transport, de signalisation et de reconnaissance cellulaire.

La membrane est semi-perméable 半透膜 : elle laisse passer certaines substances facilement mais bloque d'autres.

Les cellules communiquent entre elles via la signalisation cellulaire 细胞信号传递. Les étapes principales sont :

1. une cellule sécrète une molécule signal appelée ligand 配体 (par exemple une hormone 激素).
2. le ligand est transporté (souvent dans le sang) vers une cellule cible 靶细胞.
3. le ligand se lie à un récepteur 受体 spécifique à la surface de la membrane de la cellule cible. La forme du récepteur correspond uniquement à ce ligand. La liaison déclenche ensuite une réponse particulière à l'intérieur de la cellule cible.

Il existe six processus. Certains sont passifs 被动 (ils ne nécessitent pas d'énergie 能量), d'autres sont actifs (ils utilisent l'énergie de l'ATP).

Diffusion simple

La diffusion 扩散 est le mouvement net de particules d'une zone de haute concentration 浓度 vers une zone de faible concentration, jusqu'à une répartition uniforme. La diffusion simple 简单扩散 intervient lorsque les particules traversent directement la bicouche, le long du gradient de concentration 浓度梯度. Seules les petites molécules ou non polaires peuvent le faire — telles que l'oxygène 氧气 et le dioxyde de carbone 二氧化碳. C'est passif.

Diffusion facilitée

Les ions chargés et les grandes molécules polaires (comme le glucose 葡萄糖) ne peuvent pas traverser la bicouche huileuse seuls. Dans la diffusion facilitée 易化扩散, ils traversent par des protéines canaux ou porteuses, tout en suivant toujours le gradient de concentration. C'est également passif.

Osmose

L'osmose 渗透 est la diffusion de l'eau à travers une membrane semi-perméable, d'un potentiel hydrique plus élevé vers un potentiel hydrique plus bas. C'est passif.

Transport actif

Le transport actif 主动运输 déplace une substance contre son gradient de concentration — de faible à forte concentration. Cela nécessite des protéines porteuses et de l'énergie issue de l'ATP.

Endocytose et exocytose

Ces processus déplacent de grandes quantités de matière en vrac, en utilisant de l'ATP.

• dans l'endocytose 胞吞作用, la membrane s'incurve autour de la matière et pince une vésicule 囊泡 pour l'introductre dans la cellule.
• dans l'exocytose 胞吐作用, une vésicule fusionne avec la membrane et libère son contenu à l'extérieur de la cellule.

Une cellule absorbe et élimine des substances à travers sa surface. À mesure qu'un objet grandit, son volume 体积 augmente plus vite que sa surface 表面积. Le rapport surface/volume devient donc plus petit à mesure que la taille augmente.

Pour un cube de côté $L$ :

Un grand $L$ donne un petit rapport. C'est pourquoi les petites cellules (et les formes minces et plates) échangent rapidement des matériaux, tandis que les grandes cellules ne peuvent pas compter uniquement sur la diffusion.

Exemple résolu. Comparez le rapport surface : volume d'une cellule cubique de côté $4$ avec celle de side $10$.

Pour le côté $4$ : surface $= 6 \times 4^2 = 96$ et volume $= 4^3 = 64$, donc le rapport est $96 : 64 = 1.5 : 1$. Pour le côté $10$ : surface $= 6 \times 10^2 = 600$ et volume $= 10^3 = 1000$, donc le rapport est $600 : 1000 = 0.6 : 1$. La plus grande cellule a le plus petit rapport, donc elle échange des matériaux à travers sa surface plus lentement pour sa taille — c'est pourquoi les grands organismes ont besoin de surfaces d'échange spécialisées comme les poumons et les branchies.

Vous pouvez le démontrer avec des blocs d'agar 琼az de différentes tailles imbibés de colorant ou d'acide : le plus petit bloc, ayant le plus grand rapport surface/volume, change de couleur entièrement le plus vite. La diffusion à travers des matériaux non vivants peut aussi être étudiée avec un tube dialyse 透析袋 (tube Visking).

Le potentiel hydrique mesure la propension de l'eau à quitter une solution. L'eau pure a le potentiel hydrique le plus élevé. L'ajout d'un soluté 溶质 (une substance dissoute) le réduit. L'eau migre toujours par osmose d'un potentiel hydrique plus élevé vers un potentiel plus bas.

Pour estimer le potentiel hydrique de tissus végétaux, on place des morceaux dans des solutions de saccharose de potentiels hydriques différents. La solution qui provoque aucun changement de masse ou de longueur a approximativement le même potentiel hydrique que le tissu.

Effet sur les cellules végétales

• dans une solution de potentiel hydrique plus élevé (par exemple l'eau distillée 蒸馏水), l'eau pénètre dans la cellule. La cellule gonfle et devient turgide 膨胀, mais la paroi cellulaire rigide l'empêche d'éclater.
• dans une solution de potentiel hydrique plus bas, l'eau sort. Le contenu cellulaire se rétracte et la membrane s'éloigne de la paroi cellulaire — c'est la plasmolyse 质壁分离.

Effet sur les cellules animales

Les cellules animales n'ont pas de paroi cellulaire pour les protéger.

• dans une solution de potentiel hydrique plus élevé, l'eau entre et la cellule peut éclater. Dans un globule rouge, cet éclatement est appelé hémolyse 溶血.
• dans une solution de potentiel hydrique plus bas, l'eau sort et la cellule se rétracte.

• Décrire la membrane comme un mosaïque fluide : une bicouche phospholipidique avec des protéines, du cholestérol et des glycoprotéines.
• Classer chaque processus : la diffusion, la diffusion facilitée et l'osmose sont passives (selon un gradient) ; le transport actif et l'endo/exocytose nécessitent de l'ATP et peuvent aller à contre-gradient.
• Pour l'osmose, utilisez toujours le potentiel hydrique ($\Psi$) : l'eau se déplace du haut (moins négatif) vers le bas (plus négatif) $\Psi$ ; l'eau pure est $0$, la plus élevée.
• Indiquer le résultat selon le type cellulaire : cellule végétale turgide/plasmolysée ; cellule animale lyse/crine — reliez-le au gradient de potentiel hydrique.