Membranes et échanges membranaires

La membrane plasmique est une bicouche lipidique de 5 à 10 nm d'épaisseur, invisible en microscopie optique mais observable en microscopie électronique à transmission (aspect trilamellaire : deux feuillets sombres encadrant un feuillet clair). Elle est décrite par le modèle de la mosaïque fluide (Singer et Nicolson, 1972).

• Lipides amphiphiles : phospholipides (tête polaire hydrophile, deux chaînes d'acides gras hydrophobes), sphingolipides, cholestérol chez les animaux (phytostérols chez les végétaux). Dans l'eau, ils s'auto-assemblent spontanément en bicouche, les queues hydrophobes se faisant face.
• Protéines : intrinsèques (transmembranaires, hélices alpha hydrophobes ou tonneaux bêta) ou périphériques (liées à une face). Elles représentent souvent près de 50 % de la masse membranaire.
• Glucides : liés aux lipides (glycolipides) ou aux protéines (glycoprotéines), exclusivement sur la face externe : c'est le glycocalyx, impliqué dans la reconnaissance cellulaire.

La membrane est asymétrique (composition différente des deux feuillets, glucides seulement à l'extérieur) et fluide : les lipides diffusent latéralement très vite (quelques micromètres par seconde), les flip-flop spontanés sont rares. La fluidité augmente avec la température et le taux d'acides gras insaturés (coudes des doubles liaisons cis) ; le cholestérol joue un rôle de tampon de fluidité : il rigidifie à haute température et empêche la cristallisation à basse température.

La bicouche est une barrière hydrophobe. La perméabilité d'une molécule dépend de sa taille et de sa polarité.

Tout ce qui ne traverse pas la bicouche seule nécessite une **protéine de transport**.

Un transport passif se fait sans consommation d'énergie métabolique, dans le sens du gradient électrochimique (gradient de concentration pour une molécule neutre ; gradient de concentration et gradient électrique pour un ion).

• Diffusion simple à travers la bicouche : le flux est proportionnel au gradient de concentration (loi de Fick) et à la perméabilité membranaire.
• Diffusion facilitée par des protéines :

- canaux : pores aqueux, souvent sélectifs (canaux potassiques, canaux sodiques voltage-dépendants) et régulés (par le potentiel, un ligand ou une contrainte mécanique) ; débit élevé ($10^7$ à $10^8$ ions par seconde) ;

- transporteurs (perméases, uniports) comme GLUT pour le glucose : changement de conformation à chaque cycle, saturables, cinétique de type Michaelis-Menten, débit plus faible ($10^2$ à $10^4$ molécules par seconde).

• Osmose : diffusion de l'eau à travers une membrane semi-perméable, du compartiment le moins concentré en solutés vers le plus concentré. Les aquaporines accélèrent fortement ce flux (hématies, tubule rénal, cellules végétales).

Conséquences osmotiques : une hématie placée dans un milieu hypotonique gonfle et éclate (hémolyse) ; une cellule végétale, protégée par sa paroi, devient turgescente (pression de turgescence de l'ordre de 0,5 à 1 MPa). En milieu hypertonique, la cellule végétale se plasmolyse (décollement de la membrane de la paroi).

Un transport actif se fait contre le gradient électrochimique et nécessite une source d'énergie.

• Transport actif primaire : l'énergie provient directement de l'hydrolyse de l'ATP. Exemple majeur : la pompe ${\text{Na}}^{+}/{\text{K}}^{+}$ ATPase, qui expulse 3 ${\text{Na}}^{+}$ et fait entrer 2 ${\text{K}}^{+}$ par ATP hydrolysé. Elle est électrogène (bilan net d'une charge positive sortante) et consomme jusqu'à 30 % de l'ATP d'une cellule animale au repos (70 % dans un neurone). Autres exemples : pompes ${\text{Ca}}^{2+}$ ATPases, pompes à protons (ATPase à ${\text{H}}^{+}$ de la membrane plasmique végétale, V-ATPase des lysosomes et des vacuoles).
• Transport actif secondaire : l'énergie provient du gradient d'un ion établi par un transport primaire. Le symport ${\text{Na}}^{+}$/glucose (SGLT) de l'entérocyte fait entrer le glucose contre son gradient en utilisant l'entrée de ${\text{Na}}^{+}$ selon son gradient ; l'antiport ${\text{Na}}^{+}/{\text{Ca}}^{2+}$ expulse le calcium. Chez les végétaux et les bactéries, c'est le gradient de protons qui est utilisé (symports ${\text{H}}^{+}$/saccharose du phloème).

## 5. Potentiel de membrane

Toute cellule vivante présente une différence de potentiel entre intérieur et extérieur, le potentiel de membrane $V_m=V_{\text{int}}-V_{\text{ext}}$, de l'ordre de $-70\text{mV}$ pour un neurone au repos ($-90\text{mV}$ pour une fibre musculaire). Il résulte de l'asymétrie ionique entretenue par la pompe ${\text{Na}}^{+}/{\text{K}}^{+}$ (${\text{K}}^{+}$ concentré à l'intérieur, environ 140 mM contre 5 mM dehors ; ${\text{Na}}^{+}$ concentré à l'extérieur, environ 145 mM contre 10 mM dedans) et de la perméabilité sélective au repos, dominée par les canaux potassiques de fuite.

Pour un ion $X$ de charge $z$, le potentiel d'équilibre est donné par la relation de Nernst :

$$E_X=\frac{RT}{zF}\ln \frac{[X{]}_{\text{ext}}}{[X{]}_{\text{int}}}\approx \frac{61,5}{z}\log \frac{[X{]}_{\text{ext}}}{[X{]}_{\text{int}}}\text{(en mV, aˋ 37 °C)}$$

Pour ${\text{K}}^{+}$ on obtient environ $-90\text{mV}$ ; pour ${\text{Na}}^{+}$ environ $+60\text{mV}$. Le potentiel de repos est proche de $E_K$ car la membrane au repos est surtout perméable au ${\text{K}}^{+}$ ; il s'en écarte un peu à cause d'une faible perméabilité au ${\text{Na}}^{+}$.

Les macromolécules et les particules traversent la membrane par transport vésiculaire, qui consomme de l'ATP et du GTP :

• endocytose : phagocytose (particules, bactéries : macrophages), pinocytose (liquide), endocytose par récepteurs interposés (LDL via puits recouverts de clathrine) ;
• exocytose : fusion de vésicules de sécrétion avec la membrane plasmique (neurotransmetteurs, hormones, enzymes digestives), souvent déclenchée par une entrée de ${\text{Ca}}^{2+}$. L'exocytose constitutive renouvelle la membrane et dépose les protéines membranaires néosynthétisées.

Le bilan surface : l'endocytose et l'exocytose se compensent, ce qui maintient la surface membranaire constante.

La membrane n'est pas une simple enveloppe : c'est une interface dynamique qui compartimente, sélectionne les échanges, stocke de l'énergie sous forme de gradients ioniques (utilisés pour le transport secondaire, la synthèse d'ATP dans les mitochondries et les chloroplastes, et la signalisation électrique) et porte les récepteurs de la communication intercellulaire.