Diffusion et transport passif

Diffusion et transport passif – Avez-vous traversé la sécurité de l’aéroport dernièrement? Si vous l’avez fait, vous avez probablement remarqué qu’il est soigneusement conçu pour laisser entrer certaines choses (comme les passagers munis de billets) et pour empêcher les autres (comme les armes, les explosifs et l’eau en bouteille). Les agents de bord, les capitaines et le personnel de l’aéroport passent rapidement par un chenal spécial, tandis que les passagers réguliers traversent plus lentement, parfois avec une longue file d’attente.

À bien des égards, la sécurité aéroportuaire ressemble beaucoup à la membrane plasmique d’une cellule. Les membranes cellulaires sont sélectivement perméables , régulant les substances qui peuvent passer à travers, ainsi que la quantité de chaque substance peut entrer ou sortir à un moment donné. La perméabilité sélective est essentielle à la capacité des cellules à obtenir des nutriments, à éliminer les déchets et à maintenir un environnement intérieur stable différent de celui de l’environnement (maintenir l’homéostasie).
Les formes de transport les plus simples à travers une membrane sont passives. Le transport passif n’exige pas que la cellule dépense de l’énergie et implique une substance diffusant son gradient de concentration à travers une membrane. Un gradient de concentration est juste une région de l’espace sur laquelle la concentration d’une substance change, et les substances descendront naturellement de leur gradient, d’une zone de plus haute à une zone de plus faible concentration.
Dans les cellules, certaines molécules peuvent descendre de leurs gradients de concentration en traversant la partie lipidique de la membrane directement, tandis que d’autres doivent passer à travers les protéines membranaires dans un processus appelé diffusion facilitée. Ici, nous verrons plus en détail la perméabilité membranaire et les différents modes de transport passif.
Les phospholipides des membranes plasmiques sont amphipathiques : ils possèdent à la fois des régions hydrophiles (qui aiment l’eau) et hydrophobes (qui craignent l’eau). Le noyau hydrophobe de la membrane plasmique aide certains matériaux à se déplacer à travers la membrane, tout en bloquant le mouvement des autres.

Structure d’un phospholipide, montrant des queues d’acides gras hydrophobes et hydrophile. Une membrane bicouche constituée de phospholipides disposés en deux couches, avec leurs têtes en pointe et leurs queues intercalées au milieu, est également représentée.
Image modifiée à partir de OpenStax Biology.
Les molécules polaires et chargées ont beaucoup plus de difficulté à traverser la membrane. Les molécules polaires peuvent facilement interagir avec la face externe de la membrane, où se trouvent les groupes de tête chargés négativement, mais elles ont des difficultés à passer à travers son noyau hydrophobe. Les molécules d’eau, par exemple, ne peuvent pas traverser la membrane rapidement (bien que, grâce à leur petite taille et à l’absence de charge complète, elles puissent traverser lentement).
De plus, alors que les petits ions ont la bonne taille pour glisser à travers la membrane, leur charge les empêche de le faire. Cela signifie que les ions comme le sodium, le potassium, le calcium et le chlorure ne peuvent traverser les membranes de manière significative par simple diffusion, et doivent plutôt être transportés par des protéines spécialisées (dont nous parlerons plus tard). De plus grandes molécules chargées et polaires, comme les sucres et les acides aminés, ont également besoin de l’aide des protéines pour traverser efficacement la membrane.
Dans le processus de diffusion , une substance tend à passer d’une zone de concentration élevée à une zone de faible concentration jusqu’à ce que sa concentration devienne égale dans tout l’espace. Par exemple, pensez à quelqu’un qui ouvre une bouteille d’ammoniaque de nettoyage au milieu d’une pièce. Les molécules d’ammoniac seront d’abord concentrées là où la personne a ouvert la bouteille, avec peu ou pas de molécules sur les bords de la pièce. Peu à peu, les molécules d’ammoniac vont diffuser, ou se propager, loin de l’endroit où ils ont été libérés, et finalement vous serez en mesure de sentir l’ammoniac sur les bords de la pièce. En fin de compte, si la bouteille est bouchée et que la pièce est fermée, les molécules d’ammoniac se répartiront uniformément dans tout son volume.
La même chose se produira avec des molécules de tout type: en tant que population, elles ont tendance à passer d’une zone où elles sont plus concentrées à une zone où elles sont moins concentrées. Pour comprendre cela, imaginez qu’il y a une zone où les molécules sont plus concentrées (par exemple, où l’ammoniac vient d’être ouvert) et une zone où elles sont moins concentrées (la pièce environnante). Comme il y a beaucoup de molécules d’ammoniaque dans la zone concentrée, il est fort probable que l’on va se déplacer de là vers la zone non-concentrée. Mais comme il y a peu de molécules d’ammoniac dans la zone non-concentrée, il est peu probable que l’inverse se produise.
Ainsi, au fil du temps, le mouvement net des molécules sera hors de la zone la plus concentrée et dans celle moins concentrée, jusqu’à ce que les concentrations deviennent égales (à ce moment, il est également probable qu’une molécule se déplace dans les deux sens). Ce processus ne nécessite aucune entrée d’énergie; en fait, un gradient de concentration lui-même est une forme d’énergie stockée (potentielle), et cette énergie est utilisée à mesure que les concentrations s’équilibrent.

Image montrant le processus de diffusion à travers la membrane plasmique. Initialement, la concentration des molécules est plus élevée à l’extérieur. Il y a un mouvement net de molécules de l’extérieur vers l’intérieur de la cellule jusqu’à ce que les concentrations soient égales des deux côtés.
Crédit d’image: OpenStax Biology, modifié de l’œuvre originale de Mariana Ruiz Villareal.
Les molécules peuvent se déplacer dans le cytosol de la cellule par diffusion, et certaines molécules diffusent également à travers la membrane plasmique (comme le montre l’image ci-dessus). Chaque substance individuelle dans une solution ou un espace a son propre gradient de concentration, indépendant des gradients de concentration d’autres matériaux, et diffusera selon ce gradient. Les autres facteurs étant égaux, un gradient de concentration plus fort (plus grande différence de concentration entre les régions) entraîne une diffusion plus rapide. Ainsi, dans une seule cellule, il peut y avoir différents taux et directions de diffusion pour différentes molécules. Par exemple, l’oxygène pourrait pénétrer dans la cellule par diffusion, alors que le dioxyde de carbone pourrait s’échapper en obéissant à son propre gradient de concentration.
Certaines molécules, comme le dioxyde de carbone et l’oxygène, peuvent diffuser directement à travers la membrane plasmique, mais d’autres ont besoin d’aide pour traverser son noyau hydrophobe. Dans la diffusion facilitée , les molécules diffusent à travers la membrane plasmique avec l’aide de protéines membranaires, telles que les canaux et les transporteurs.
Il existe un gradient de concentration pour ces molécules, elles ont donc le potentiel de se diffuser dans (ou de sortir) de la cellule en la déplaçant vers le bas. Cependant, parce qu’ils sont chargés ou polaires, ils ne peuvent pas traverser la partie phospholipidique de la membrane sans aide. Les protéines de transport facilitées protègent ces molécules du noyau hydrophobe de la membrane, fournissant une voie par laquelle elles peuvent traverser. Deux grandes classes de protéines de transport facilitées sont les canaux et les protéines porteuses.

Chaînes

Les protéines des canaux enjambent la membrane et forment des tunnels hydrophiles qui laissent passer les molécules cibles par diffusion. Les canaux sont très sélectifs et n’acceptent qu’un seul type de molécule (ou quelques molécules étroitement apparentées) pour le transport. Le passage à travers une protéine canalaire permet aux composés polaires et chargés d’éviter le noyau hydrophobe de la membrane plasmique, ce qui ralentirait ou bloquerait leur entrée dans la cellule.
Image d’une protéine canal, qui forme un tunnel permettant à une molécule spécifique de traverser la membrane (en descendant son gradient de concentration).
_Image modifié à partir de ” Scheme facilité diffusion dans la membrane cellulaire “, par Mariana Ruiz Villareal (domaine public) ._
Les aquaporines sont des protéines canalaires qui permettent à l’eau de traverser la membrane très rapidement et jouent un rôle important dans les cellules végétales, les globules rouges et certaines parties du rein (où elles minimisent la quantité d’eau perdue sous forme d’urine).
Certaines protéines de canal sont ouvertes tout le temps, mais d’autres sont “bloquées”, ce qui signifie que le canal peut s’ouvrir ou se fermer en réponse à un signal particulier (comme un signal électrique ou la liaison d’une molécule). Les cellules impliquées dans la transmission de signaux électriques, tels que les cellules nerveuses et musculaires, ont des canaux ioniques bloqués pour les ions sodium, potassium et calcium dans leurs membranes. L’ouverture et la fermeture de ces canaux, et les changements résultants dans les niveaux d’ions à l’intérieur de la cellule, jouent un rôle important dans la transmission électrique le long des membranes (dans les cellules nerveuses) et dans la contraction musculaire (dans les cellules musculaires).

Protéines porteuses

Une autre classe de protéines transmembranaires impliquées dans le transport facilité consiste en les protéines porteuses. Les protéines porteuses peuvent changer de forme pour déplacer une molécule cible d’un côté de la membrane à l’autre.
Diagramme montrant comment une protéine porteuse peut se lier à une molécule cible d’un côté de la membrane, subir un changement de forme et libérer la molécule cible de l’autre côté de la membrane.
_Image modifié à partir de ” Scheme facilité diffusion dans la membrane cellulaire “, par Mariana Ruiz Villareal (domaine public) ._
Comme les protéines canalaires, les protéines porteuses sont typiquement sélectives pour une ou plusieurs substances. Souvent, ils vont changer de forme en réponse à la liaison de leur molécule cible, avec le changement de forme déplaçant la molécule vers le côté opposé de la membrane. Les protéines porteuses impliquées dans la diffusion facilitée fournissent simplement des molécules hydrophiles avec un moyen de descendre d’un gradient de concentration existant (plutôt que d’agir comme des pompes).
Les protéines canal et transporteur transportent le matériau à des vitesses différentes. En général, les protéines canaux transportent les molécules beaucoup plus rapidement que les protéines porteuses. C’est parce que les protéines de canal sont de simples tunnels; Contrairement aux protéines porteuses, elles n’ont pas besoin de changer de forme et de «réinitialiser» chaque fois qu’elles déplacent une molécule. Une protéine de canal typique pourrait faciliter la diffusion à des dizaines de millions de molécules par seconde, alors qu’une protéine porteuse pourrait fonctionner à un rythme d’un millier de molécules par seconde.début exposant, 1, fin exposant.

Attribution:

Cet article est un dérivé modifié de ” Passive transport “, par OpenStax College, Biology ( CC BY 3.0 ). Télécharger l’article original gratuitement à http://cnx.org/contents/185cbf87-c72e-48f5-b51e-f14f21b5eabd@9.85:24/Biology .
L’article modifié est sous licence CC BY-NC-SA 4.0 .

Ouvrages cités:

Références supplémentaires:

Alberts, B., Johnson, A., Lewis, J., Raff, M., Roberts, K., et Walter, P. (2002). Principes du transport membranaire. En biologie moléculaire de la cellule (4ème éd.). New York, NY: Garland Science. Récupéré de http://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK26815/ .
Lodish, H., Berk, A., Zipursky, SL, Matsudaira, P., Baltimore, D., et Darnell, J. (2000). Vue d’ensemble des protéines de transport membranaire. En biologie cellulaire moléculaire (4e éd., Section 15.2). New York, NY: WH Freeman. Récupéré de http://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK21592/ .
Reece, JB, Urry, Los Angeles, Cain, ML, Wasserman, SA, Minorsky, PV, et Jackson, RB (2011). Structure et fonction de la membrane. Dans Campbell biology (10ème éd., Pp. 124-140). San Francisco, CA: Pearson.
Diffusion et transport passif | BiologiE | 4.5