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Le mode d'action de la membrane cellulaire

 

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La membrane cellulaire est une structure autour de la cellule, composée d'une bicouche lipidique, de protéines et de cholestérol. Certaines de ces protéines jouent un rôle dans le transport actif de substances au travers de la membrane cellulaire, d'autres servent comme points de reconnaissance pour des substances régulatrices telles que les hormones. Dans une cellule, plus de 100.000 protéines sont impliquées. En effet, chaque transport nécessite l'intervention d'une protéine spécifique ou d'un complexe de protéines. Ces protéines ne sont pas des enzymes mais des protéines de transport (ou de translocation).

Sommaire :

Le rôle de la membrane cellulaire

 

La conformation

 

La diffusion

 

Le transport actif

 

Les systèmes de transport d'énergie :

 

le moteur : la pompe Na/K ATP ase

 

les inhibiteurs et activateurs

 

 

Les systèmes de transport des substrats :

 

la première régulation du pH intestinal : les balances K/Na, d'absorption et d'électrolytes

 

la deuxième régulation du pH intestinal : la balance Gln/Glu/alpha KG

 

la régulation du pH gastrique

 

des déséquilibres du pH gastrique

 

Les systèmes de transport d'oxygène : voir : "Hémoglobine"

 

 

Le transport passif

 

L'import actif

 

L'export actif

Contenu :

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Le rôle de la membrane cellulaire :

 

La membrane cellulaire joue un rôle crucial dans la relation entre la cellule et son environnement. Etant donné son rôle actif, la cellule est capable de réagir à des stimulations externes.

 

La cellule possède ensuite une fonction de reconnaissance pour les signaux d'origine extracellulaire qui communiquent à la cellule son mode d'action.

 

La membrane cellulaire elle-même peut générer et transmettre des signaux électriques. Elle joue également un rôle dans l'adhésion cellulaire, donc dans l'aspect formé par l'organe ou le tissu.

 

Voir aussi : "La communication cellule-cellule"

 

Une telle membrane cellulaire représente donc une structure très dynamique qui soigne et régule le transport des substances entrant et sortant. Elle contribue au maintien constant du milieu intracellulaire (homéostasie de la cellule), bien que ce milieu puisse être complètement différent au milieu extracellulaire (ou de l'autre côté de la membrane).

 

La membrane cellulaire joue donc un rôle crucial dans la composition d'e.a. le cytosol. Une détérioration de la membrane cellulaire signifie souvent la fin de la cellule.

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La conformation :

 

La membrane cellulaire est une paroi semi-imperméable, ou une barrière sélective.

 

D'abord, certaines substances sont capables de diffuser à travers de la membrane cellulaire par osmose (diffusion simple).

 

En outre, l'occupation d'un récepteur par un ligand (hormone, anticorps, médicament, agent alimentaire) entraîne une modification de conformation et active ainsi un mécanisme intracellulaire : un signal est généré par l'interaction ligand-récepteur et envoyé vers p. ex. une hormone tripeptide à l'intérieur de la membrane; le signal est ensuite transmis vers un composant cellulaire spécifique, capable d'initier une fonction biochimique.

 

Le changement de conformation d'un porteur protéique concilie la diffusion de la substance.

 

Deux états de conformation sont possibles : PONG et PING

 

PONG : la substance solubilisée entre avec l'aide du porteur protéique, ce qui facilite sa diffusion (= diffusion facilitée)

 

PING : après le passage membranaire via le porteur protéique, la substance solubilisée est relâchée dans le milieu intracellulaire (= transport actif)

 

Ce transfert ne se fait pas uniquement contre le gradient électrique mais également contre le gradient de concentration.

 

Ce transport actif consomme de l'énergie (ATP).

 

Note :

 

 

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La diffusion :

 

L'oxygène, le dioxyde de carbone, des molécules non polaires ainsi que des acides gras peuvent traverser la membrane cellulaire par diffusion grâce au gradient de concentration entre le milieu extra- et intracellulaire. Ce dernier peut varier et même être complètement inversé suivant l'endroit dans l'organisme.

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LE TRANSPORT ACTIF      

 

Le transport actif est assuré par des porteurs protéiques (vecteurs), chacun lié à une molécule spécifique pour le passage à travers la membrane cellulaire d'une façon unidirectionnelle ou bidirectionnelle. D'autre part, on présume que les protéines transmembranaires (des protéines qui traversent toute l'épaisseur membranaire) régulent à travers la membrane  les échanges d'ions, entre le milieu extra- et intracellulaire.

 

Pour une grande partie de substances, la membrane est une vraie barrière : la concentration d'ions et des produits du métabolisme intracellulaire diffère fortement entre le milieu intra- et extracellulaire. Afin de préserver ces différences, les membranes possèdent un nombre important de systèmes de transport spécifiques, chacun composé d'une ou plusieurs protéines, capables de transporter des substances à travers la membrane, même contre le gradient de concentration.

 

Ce transport actif nécessite donc inévitablement un couplage avec un processus qui fournit de l'énergie.

 

Pour le transport actif primaire cette énergie est fournie sous forme d'ATP.

 

Les substances d'origine alimentaire peuvent également être transportées par des systèmes de co-transport associés à des gradients chimiques (différences de concentration), électriques (différences de potentiel) et électrochimiques (une combinaison des deux gradients précédents), réalisés par l'intermédiaire des électrolytes les plus importants tels que sodium, potassium et chlore. Ici, l'énergie libre n'est plus fournie par l'ATP mais par la dissipation d'un autre gradient, lui même construit par un transport actif primaire (transport actif secondaire)

 

Le passage dans les canaux membranaires est souvent dépendant du potentiel cellulaire.

 

Une cellule saine possède une membrane polarisée négativement. Ainsi cette cellule peut absorber les nutriments et libérer correctement ses toxines. Son potentiel négatif est d'environ 70 à 90 millivolts.

 

Par contre, suite à une intoxication (pollution, déchets mal éliminés de notre organisme), la cellule saine perd ses ions négatifs et son potentiel négatif se réduit à 10 ou 20 millivolts. Sa membrane est entourée d'ions positifs qui bloquent son assimilation des nutriments et empêchent l'élimination de ses déchets.

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Les systèmes de transport d'énergie :

 

La production d'ATP se déroule dans les mitochondries. Ces molécules d'ATP doivent donc être transportées à travers la membrane mitochondriale vers le cytoplasme.

 

Ce transport est possible grâce à l'enzyme ATP-ase, qui n'intervient pas uniquement pour le transport d'ATP, mais également pour celui d'autres ions et molécules. Ce transport utilise des systèmes de pompe symport et/ou antiport pour resp. passer ensemble ou échanger des substances...

 

Chaque transport utilisant le système de pompe (= une enzyme transmembranaire!) nécessite cependant un atome de Mg2+! Le Mg2+ est essentiel dans la fixation d'ATP à l'enzyme.

 

Le Mg2+ joue donc le rôle de substance clé dans l'équilibre ionique de la cellule!

 

Le moteur : la pompe de la K/Na ATP-ase

 

      • toutes les cellules possèdent des pompes Na/K ATP-ase : l'activité de ces pompes crée un milieu intracellulaire riche en potassium et pauvre en sodium. Le sodium et le potassium sont des électrolytes clé dans la création de gradients essentiels dans le transport de la plupart des substrats.

 

---> voir aussi : aldostérone : l'hormone régulatrice de l'excrétion sodique par les reins

 

      • ces gradients représentent l'énergie pour l'échange entre les compartiments de la plupart des substrats. Les systèmes de transport symport Na+ dépendants (co-transport) interviennent ici.

 

La pompe présente une action cyclique :

 

          • d'une façon concomitante, les substrats (p. ex. des nutriments, Ca2+, glucose, acides aminés...) sont pompés dans la cellule ensemble (symport) avec le Na+  (co-transport dans la même direction)

          • l'excès de Na+ est ensuite échangé avec le K+ (antiport) (échange entre compartiments d'ions de polarité identique) afin de maintenir le gradient électrique ...

 

---> Les pompes sont donc des systèmes antiport qui forment la force motrice des systèmes symport (co-transport)

 

Le rapport ionique extra- et intracellulaire est maintenu par l'enzyme ATP-ase. Cette enzyme est liée à la membrane cellulaire et pompe continuellement des ions K+ dans la cellule et des ions Na+ hors de la cellule.

 

Polarisation (état de repos)

 

Dépolarisation (décharge rapide)

Suite à un stimulus, la pompe à ions active est brusquement arrêtée et la perméabilité augmente. L'entrée massive de Na+ provoque dans la cellule une variation de potentiel vers une valeur positive par rapport à la paroi extérieure. Cette onde envahit toute la cellule et dépolarise la cellule (son potentiel membranaire passe temporairement d'une valeur négative vers une valeur positive).

 

Repolarisation : phase 1 : repolarisation rapide initiale

Influx rapide mais court d'ions Cl- , rendant le potentiel cellulaire moins positif

 

Repolarisation : phase 2 : phase stationnaire

Une partie des ions K+ est expulsée de la cellule et un influx lent d'ions Ca2+ se lance. L'expulsion des ions K+ et l'influx lent des ions Ca2+ forment un équilibre, provoquant un état de repolarisation stationnaire

 

Repolarisation : phase 3 : repolarisation finale

Tous les ions K+ sont expulsés de la cellule, rendant le potentiel de la paroi intérieure de la cellule à nouveau négatif.

 

Etat de potentiel de repos : phase 4

La pompe à ions redémarre et ramène à nouveau tous les ions K+ dans la cellule en échange d'ions Na+. Le Ca2+ est également expulsé de la cellule.

 

L'activité de la pompe K/Na, le transport d'ions Na+ et d'ions K+, dépend d'une ATP-ase, cruciale pour l'apport énergétique par conversion d'ATP en ADP.

 

 

 La présence de magnésium est essentielle dans la fixation d'ATP à l'enzyme.

 

Le complexe Mg-ATP forme un substrat pour l'enzyme Na-K-ATP-ase. Cette enzyme augmente l'affinité pour les ions Na+ et K+. L'énergie nécessaire est fournie par l'hydrolyse d'ATP ---> ADP + énergie.

 

 

Note :

        • Lorsque la pompe d'électrolytes n'est pas en mesure d'expulser suffisamment les ions Na+ , le volume cellulaire augmente par rétention d'eau, et la cellule commence à enfler. Chaque entrée complémentaire de Na+ (et de nutriments) devient plus difficile et est freinée. La cellule n'est donc plus capable d'absorber suffisamment de nutriments (p.ex. le glucose) par symport avec le Na+...

 

        • La cellule continuera à enfler jusqu'à ce que la membrane cellulaire, sous la pression excessive, ouvre ses pores et libère par diffusion dans le milieu extracellulaire son contenu (hémolyse). Dès que le liquide extracellulaire devient hypertonique par rapport au liquide cellulaire, l'eau sera extraite de la cellule, provoquant son racornissement (plasmolyse).

 

        • Le bon fonctionnement de la cellule nécessite la présence suffisante de potassium, le minéral oublié...

 

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Inhibiteurs et activateurs de la pompe Na/K ATPase :

 

 

Inhibiteurs : ils bloquent le système de pompe

 

        • un excès intracellulaire de Ca : à éliminer à l'aide de l'inositol (Ca2+ ATP-ase) dans la membrane mitochondriale et dans le RE...

        • des glycosides (dans les préparations de phytothérapie) : ils dépolarisent la membrane :

 

          • ils empêchent ainsi le transport transmembranaire

          • ils entrent en compétition avec le K+ pour la fixation enzymatique

---> excès de sels potassiques

 

        • des ions de cuivre et de fer...

        • des hormones : oestrogènes, glucagon, adrénaline...

 

 

Activateurs : stimulent le système de pompe

 

        • un excès extracellulaire de Ca : active la fixation de K+ à l'ATP-ase hors de la cellule et induit le transport ionique de la Na+/K+ ATP-ase...

        • des acides aminés naturels

        • des hormones : l'aldostérone (augmente la concentration rénale de l'ATPase)

        • des activateurs naturels des canaux potassiques et donc également des pompes Na/K :

          • des flavonoïdes tels que dans l'aubépine, la feuille d'olive, le Marron d'Inde...

          • des saponines telles que dans le soja, le lierre grimpant...

        • ...

 

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Les systèmes de transport des substrats :

 

La première régulation du pH au niveau intestinal :

 

La balance K+/Na+ : à l'aide des pompes K/Na ATP-ase, avec le Mg2+ comme cofacteur

 

        • ionisation des acides : pour être transportés par le co-transporteur sodium (symport), les substrats doivent être ionisés. L'ionisation des substrats dépend de leur constante de dissociation (pKa) et du pH du milieu : l'état d'ionisation des substances avec un pKa proche du pH intestinal sera plus facilement influencé par des modifications dans la composition des sucs digestifs.

        • suite à une élévation de la charge positive externe/gradient Na+ , le potentiel transmembranaire sera utilisé pour transporter activement (symport) d'autres molécules (glucose, acides aminés, Ca2+ ) vers l'intérieur de la cellule.

 

 

La balance d'absorption :

 

 

        • l'absorption de substrats d'origine alimentaire (glucose, calcium, acide aminés, phosphates, acides organiques...) par le système de cotransport de sodium (symport) acidifie l'intestin et alcalinise le sérum. En effet, tous les substrats sont absorbés sous formes de sels sodiques : les acides organiques abandonnent donc leurs ions H+ dans l'intestin.

 

---> cet abandon d'ions H+ acidifie le milieu intestinal (le pH diminue)

 

        • ces substrats sodiques seront ensuite à leur tour des accepteurs de protons, alcalinisant ainsi le milieu sérique :

 

---> dans le sérum, le taux des substrats augmente, mais aussi celui du sodium : rend le milieu sérique plus alcalin (le pH augmente)

 

 

La balance électrolytique (Na, K, Cl) détermine les équilibres acido-basiques dans l'intestin, le sérum et les reins

 

        • l'échange entre le chlore intestinal (d'origine alimentaire) et le bicarbonate sérique (d'origine respiratoire cellulaire et amené par les sucs pancréatiques) forme un contre-poids dans l'effet d'absorption de substrats :

 

          • le bicarbonate sérique alcalinise l'intestin

          • le chlore intestinal acidifie le sérum

 

 

RESULTAT :

 

---> dans l'intestin :

 

        • antiport Na+/H+ : Na+ migre de la cellule  ---> l'intestin et le H+ intestinal ---> la cellule (diminution des ions H+, donc augmentation du pH)

 

        • antiport Cl-/bicarbonate : le Cl- intestinale migre ---> la cellule et le HCO3- cellulaire  ---> l'intestin (devient plus basique, donc augmentation du pH)

 

(voir aussi : "Equilibre acido-basique : systèmes de tampon, tampon du bicarbonate")

 

---> dans le sérum :

 

        • antiport : échange du Na+ avec le H+ (récupération du Na+ sérique) suivi de : H+ + HCO3- (métabolisme des globules rouges)  ---> H2O + CO2  

 

        • absorption de Cl- : agit avec le H+ ---> HCl (acidification!)

 

La résultante de l'absorption des substrats (alcalinisation sérique/acidification intestinale) et l'échange d'ions de chlore (acidification sérique/alcalinisation intestinale) représentent un équilibre important qui détermine le pH dans l'intestin et dans le sérum!

 

 

Attention : un excès de chlore dans le sérum extrait des bicarbonates : ---> acidification du sérum! (pouvant entraîner p.ex. une perte osseuse...)

 

Note :

        • les acides aminés libres, des acides organiques, des hydrates de carbone présentent une biodisponibilité élevée

        • les électrolytes tels que Na, K, Cl sont presque complètement absorbés depuis le tractus gastro-intestinal

        • les autres électrolytes et minéraux (P, Mg, Ca, Fe, Zn,...) nécessitent souvent la présence d'un cofacteur pour faciliter leur absorption ; en outre, leur absorption est souvent plus dépendante du pH intestinal... Des différences de pH peuvent être la cause d'une dénaturation, d'une hydrolyse, d'un changement de valence, d'une modification du comportement d'oxydoréduction....

        • les acides gras peuvent traverser par diffusion la membrane cellulaire intestinale... : ils n'ont pas besoin de cotransporteurs...

 

Une alimentation naturelle renforce complètement la biodisponibilité des minéraux. Des suppléments ne seront nécessaires qu'en cas d'une alimentation pauvre en ingrédients naturels...

 

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La deuxième régulation du pH au niveau intestinal :

 

La balance Gln/Glu/alpha KG dans les muscles et les reins

 

        • dans les reins, la Gln peut être converti en glucose avec libération et recapture d'ions H+ :

 

La Glutamine (Gln), d'origine alimentaire ou produite dans les muscles, le foie et le cerveau, se diffuse à travers les capillaires sanguins vers la cellule tubulaire rénale, où elle est transformée en glutamate (Glu, acide glutamique) et en ammoniac (NH3)... ;

 

          • l'ammoniac est excrété sous forme de chlorure d'ammonium, un sel légèrement acide (NH3 + H+ + Cl-). Des protons (H+) sont donc éliminés également.

 

En cas d'acidose (apport élevé de protons), plus de Gln est convertie et donc plus d'ammoniac est produit.

 

En cas d'alcalose, moins de Gln est convertie et il y a même reprise d'ammoniac pour former de la Gln.

 

Gln dans les reins ---> 1ière séparation de (NH3 + H+)  ---> Glu  

Glu ---> 2ième séparation de (NH3 + H+) et via NAD+ ---> NADH + H+  ---> alpha cétoglutarate

alpha cétoglutarate  

 

---> cycle de l'acide citrique / chaîne respiratoire avec reprise de 2H+  

 

ou  

 

----> avec fixation de (NH3 + H+) + NADPH/B6 (transamination)  ---> Glu ---> fixation de (NH3 + H+) + ATP  --->  Gln

 

Une acidose (lactate...) augmente la vitesse de conversion de la glutamine, une alcalose diminue cette vitesse.

 

 

Note :

        • la Gln peut être aussi convertie en énergie et alanine dans l'intestin ; l'alanine intestinale (ou musculaire) peut ensuite être transformée en urée et glucose... ( voir aussi : "Stress catabolique")

 

        • la Gln passe la barrière hémato-encéphalique et peut donc être utilisée comme remplaçante de glucose en cas de besoin....

 

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La régulation du pH au niveau de l'estomac :

 

 

      • d'origine respiratoire de la cellule pariétale : CO2 + H2O  --->  H2CO3 ---> H+ + HCO3-

 

du sang vers la cellule

 

          • antiport Cl-/bicarbonate : le Cl- migre du sang ---> la cellule et le HCO3- de la cellule ---> le sang (devient plus basique, donc augmentation du pH)

 

de la cellule vers l'estomac

 

          • antiport K+/H+ : K+ de l'estomac ---> la cellule et le H+ de la cellule ---> l'estomac H+  

          • symport de K+/Cl- de la cellule ---> l'estomac :  + H+ pour former ---> HCl

 

      • conséquences :

 

        • lorsque le pH < 2 : le mécanisme de la gastrine bloque et la production d'HCl diminue

        • lorsque le pH > 5 : les pepsines deviennent inactives

 

Note :

Les sucs pancréatiques contribuent également à l'équilibre acido-basique avec un apport de HCO3- d'origine respiratoire cellulaire... Des fruits acides tels que le citron présente un effet alcalinisant parce que ce fruit incite le pancréas à produire des tampons alcalins...

 

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Des déséquilibres du pH an niveau de l'estomac :

 

      • Achlorhydrie :

 

        • renvois, production de gaz immédiatement après le repas, sensation de brûlure et de ballonnement...

        • sensation de satiété après le repas

        • indigestion, diarrhée, constipation

        • allergie alimentaire

        • nausées

 

      • Hypochlorhydrie :

 

        • ongles mous et desquamés

        • déficience en Fe

        • infection parasitaire intestinale chronique

        • infection chronique de candida

        • capillaires dilatés au niveau de la joue et du nez

        • présence d'aliments non digérés dans les selles

 

 

      • Hyperchlorhydrie :

 

        • acidité gastrique, douleurs gastriques... (diminuent temporairement (et partiellement) après un repas)

        • acidité gastrique avec reflux

        • ulcère gastrique (ulcus)

 

          • suppléments : citrates, Ca-carbonate, Mg-carbonate...

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LE TRANSPORT PASSIF :

 

Capture/délivrance sélectives via la route endosomale/lysosomale

Le transport passif se déroule uniquement en sens unique : d'une concentration élevée vers une concentration plus faible.

 

L'IMPORT PASSIF :         

 

Dans le milieu extracellulaire (sang, espace intercellulaire), il circulce tout le temps des substances telles que protéines, hormones, facteurs de croissances et neurotransmetteurs.

 

Dans ce milieu, la plupart des substances circulantes ne sont pas libres mais fixées sur une protéine-porteuse (qui rend le complexe soluble), et véhiculées par des vésicules (conteneurs) qui se chargent de son transport et sa délivrance correcte. En effet, la combinaison est guidée par des gènes qui fonctionnent comme un GPS microbiologique (pour assurer leur délivrance correcte) et possède une fonction de clé qui permet d'entrer dans une serrure spécifique, le récepteur membranaire cellulaire (capture sélective). Immédiatement, les molécules de signalisation agissent sur leurs récepteurs clés. Ensuite, la membrane des vésicules peut fusionner avec la membrane cellulaire, permettant la délivrance aisée de son chargement aux cellules cibles.

 

Après la fixation sur la membrane cellulaire via un récepteur, ces substances sont intégrées dans un sous compartiment de la cellule, l'endosome, formé par une invagination partielle de la membrane cellulaire évoluant vers une pochette (un vésicule).

 

Cet endosome permet le tri des substances alimentaires et des déchets (endocytose). Ensuite, l'endosome fusionne avec le lysosome, où les protéines-porteuses sont séparées par action enzymatique. Le lysosome contient un nombre d'enzymes (les lysozymes) qui fonctionnent à un pH voisin de 5 et qui digèrent les agents alimentaires et les déchets. On appelle également le lysosome "la décharge cellulaire". La plupart de ces produits de dégradation sont ensuite recyclés et utilisés dans la synthèse de nouveaux composants cellulaires, ou redirigés vers d'autres organes cible (le cytosol + le cytosquelette = le cytoplasme).

 

Ce procédé permet aussi l'import passif de protéines étrangères à l'organisme ou produites par un virus ou une bactérie. Ces protéines étrangères sont donc également détruites via cette route et une partie peptidique peut être utilisée pour signaler au système immunitaire qu'une infection a eu lieu. Cette route est donc d'une importance capitale pour le système immunitaire.

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L'EXPORT PASSIF :

Les lysosomes font partie du système endomembranaire de la cellule. Ce système possède également le réticulum endoplasmique (RE) et l'appareil de Golgi.

 

      • Le RE est un système de membranes intracellulaires. Ils jouent un rôle important dans le transport intracellulaire de substances vers l'appareil de Golgi. Certaines membranes intracellulaires peuvent porter des granulations, les ribosomes (synthèse protéique). Durant la chaîne naissante des protéines, elles sont transportées a travers ces membranes. Ce réseau membranaire, en connexion directe avec la membrane cellulaire, offre la possibilité d'exécuter simultanément différentes réactions chimiques en divisant l'espace cellulaire en sous-compartiments

 

      • Dans l'appareil de Golgi, la production des substances de sécrétion du RE est achevée. Ensuite, les substances y sont stockées, en attendant d'être sécrétées plus tard dans le milieu intra- ou extracellulaire (exocytose). Les cellules appartenant à des organes excréteurs (glandes...) possèdent donc beaucoup de ces structures. L'appareil de Golgi peut donc être considéré comme "lieu d'empilement".

 

Inversement, les lysosomes peuvent aussi intervenir dans le recyclage membranaire de la cellule. Ceci est d'une importance capitale, étant donné que la qualité de la membrane cellulaire détermine directement son bon fonctionnement.

 

 

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