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Les protéines porteuses s'ouvrent-elles et se ferment-elles constamment ou ne fonctionnent-elles que lorsqu'une substance s'y lie ?


  1. Qu'est-ce qui fait que les protéines porteuses changent de forme ?

  2. Ont-ils besoin d'énergie pour changer de forme ? Si cela est vrai, comment sont-ils impliqués dans la diffusion facilitée ?

  3. Par changement de forme, entend-on toujours s'ouvrir d'un côté et se fermer de l'autre ? (ils fonctionnent tous en changeant de forme non ?)

  4. une fois qu'ils transportent une molécule de l'intérieur vers l'extérieur, reprennent-ils instantanément leur forme initiale ou ont-ils besoin de transporter une substance de l'intérieur vers l'extérieur pour reprendre leur forme initiale ?

  5. et enfin, toutes les protéines de co-transport sont-elles des protéines porteuses ?


Les protéines porteuses s'ouvrent-elles et se ferment-elles constamment ou ne fonctionnent-elles que lorsqu'une substance s'y lie ? - La biologie

Pour déplacer les substances contre le gradient électrochimique de la membrane, la cellule utilise un transport actif, qui nécessite de l'énergie de l'ATP.

Objectifs d'apprentissage

Définir un gradient électrochimique et décrire comment une cellule déplace des substances contre ce gradient

Points clés à retenir

Points clés

  • Les gradients électriques et de concentration d'une membrane ont tendance à faire entrer et sortir le sodium de la cellule, et le transport actif agit contre ces gradients.
  • Pour déplacer des substances contre une concentration ou un gradient électrochimique, la cellule doit utiliser de l'énergie sous forme d'ATP pendant le transport actif.
  • Le transport actif primaire, qui dépend directement de l'ATP, déplace les ions à travers une membrane et crée une différence de charge à travers cette membrane.
  • Le transport actif secondaire, créé par le transport actif primaire, est le transport d'un soluté dans la direction de son gradient électrochimique et ne nécessite pas directement d'ATP.
  • Les protéines porteuses telles que les uniporteurs, les symporteurs et les antiporteurs effectuent un transport actif primaire et facilitent le mouvement des solutés à travers la membrane cellulaire.

Mots clés

  • l'adénosine triphosphate: un nucléoside triphosphate multifonctionnel utilisé dans les cellules comme coenzyme, souvent appelé « unité moléculaire de la monnaie énergétique » dans le transfert d'énergie intracellulaire
  • transport actif: mouvement d'une substance à travers une membrane cellulaire contre son gradient de concentration (de faible à forte concentration) facilité par la conversion de l'ATP
  • gradient électrochimique: La différence de charge et de concentration chimique à travers une membrane.

Gradients électrochimiques

Les gradients de concentration simples sont des concentrations différentielles d'une substance à travers un espace ou une membrane, mais dans les systèmes vivants, les gradients sont plus complexes. Parce que les ions entrent et sortent des cellules et parce que les cellules contiennent des protéines qui ne traversent pas la membrane et sont pour la plupart chargées négativement, il existe également un gradient électrique, une différence de charge, à travers la membrane plasmique. L'intérieur des cellules vivantes est électriquement négatif par rapport au liquide extracellulaire dans lequel elles baignent. En même temps, les cellules ont des concentrations plus élevées de potassium (K + ) et des concentrations plus faibles de sodium (Na + ) que le liquide extracellulaire. Dans une cellule vivante, le gradient de concentration de Na + a tendance à le conduire dans la cellule, et le gradient électrique de Na + (un ion positif) a également tendance à le conduire vers l'intérieur chargé négativement. La situation est cependant plus complexe pour d'autres éléments comme le potassium. Le gradient électrique de K + , un ion positif, a également tendance à le conduire dans la cellule, mais le gradient de concentration de K + a tendance à chasser K + hors de la cellule. Le gradient combiné de concentration et de charge électrique qui affecte un ion est appelé son gradient électrochimique.

Gradient électrochimique: Les gradients électrochimiques résultent des effets combinés des gradients de concentration et des gradients électriques.

Se déplacer contre un dégradé

Pour déplacer des substances contre une concentration ou un gradient électrochimique, la cellule doit utiliser de l'énergie. Cette énergie est récoltée à partir de l'adénosine triphosphate (ATP) générée par le métabolisme cellulaire. Les mécanismes de transport actif, appelés collectivement pompes, agissent contre les gradients électrochimiques. De petites substances traversent constamment les membranes plasmiques. Le transport actif maintient les concentrations d'ions et d'autres substances nécessaires aux cellules vivantes face à ces mouvements passifs. Une grande partie de l'approvisionnement en énergie métabolique d'une cellule peut être dépensée pour maintenir ces processus. Par exemple, la majeure partie de l'énergie métabolique d'un globule rouge est utilisée pour maintenir le déséquilibre entre les niveaux de sodium et de potassium extérieurs et intérieurs requis par la cellule. Étant donné que les mécanismes de transport actif dépendent du métabolisme énergétique d'une cellule, ils sont sensibles à de nombreux poisons métaboliques qui interfèrent avec l'apport d'ATP.

Deux mécanismes existent pour le transport de matériaux de faible poids moléculaire et de petites molécules. Le transport actif primaire déplace les ions à travers une membrane et crée une différence de charge à travers cette membrane, qui dépend directement de l'ATP. Le transport actif secondaire décrit le mouvement de matière qui est dû au gradient électrochimique établi par le transport actif primaire qui ne nécessite pas directement d'ATP.

Protéines porteuses pour le transport actif

Une adaptation membranaire importante pour le transport actif est la présence de protéines porteuses spécifiques ou de pompes pour faciliter le mouvement. Il existe trois types de ces protéines ou transporteurs : les uniporteurs, les symporteurs et les antiporteurs. Un uniporteur transporte un ion ou une molécule spécifique. Un symporteur transporte deux ions ou molécules différents, tous deux dans la même direction. Un antiporteur transporte également deux ions ou molécules différents, mais dans des directions différentes. Tous ces transporteurs peuvent également transporter de petites molécules organiques non chargées comme le glucose. Ces trois types de protéines porteuses sont également présentes dans la diffusion facilitée, mais elles ne nécessitent pas d'ATP pour fonctionner dans ce processus. Quelques exemples de pompes pour le transport actif sont Na + -K + ATPase, qui transporte les ions sodium et potassium, et H + -K + ATPase, qui transporte les ions hydrogène et potassium. Ces deux protéines sont porteuses d'antiporteurs. Deux autres pompes à protéines porteuses sont la Ca 2+ ATPase et la H + ATPase, qui ne transportent respectivement que des ions calcium et uniquement des ions hydrogène.

Uniporteurs, Symporteurs et Antiporteurs: Un uniporteur transporte une molécule ou un ion. Un symporteur transporte deux molécules ou ions différents, tous deux dans la même direction. Un antiporteur transporte également deux molécules ou ions différents, mais dans des directions différentes.


Principaux types de diffusion

Diffusion passive

Ce type de diffusion se produit lorsque les molécules se déplacent à travers une membrane semi-perméable, sans que les canaux protéiques n'aident le mouvement. Les membranes cellulaires sont constituées d'une bicouche constituée de phospholipides, qui a une couche intermédiaire non polaire ou craignant l'eau. La couche intermédiaire est protégée des deux côtés par des surfaces hydrophiles polaires ou aimant l'eau.

Les molécules hydrophobes traversent toujours facilement une membrane cellulaire, et cela inclut certains gaz tels que le dioxyde de carbone, l'oxygène et l'azote. Les grosses molécules polaires chargées électriquement sont incapables de traverser librement une membrane cellulaire.

Lorsque la diffusion se produit à travers une membrane cellulaire, cela est considéré comme un type de transport passif et ne nécessite aucune énergie. Gardez à l'esprit que la membrane cellulaire est une bicouche phospholipidique et que l'intérieur et l'extérieur de la cellule sont à base d'eau.

Il y a aussi une zone hydrophobe au milieu, qui est une barrière vitale pour tout ce qui est chargé et gros, ou hydrophile. La diffusion simple permet aux molécules hydrophobes de traverser la membrane cellulaire, un peu comme la région hydrophobe.

Pour cette raison, la diffusion simple fournit un passage sans assistance de molécules hydrophobes et non polaires qui sont assez petites, et le passage commence à une concentration plus élevée et va à une concentration plus faible. Même si les cellules sont hydrophiles, de minuscules molécules peuvent encore glisser à travers la membrane de la cellule, simplement à cause de leur petite taille.

Diffusion facilitée

La diffusion facilitée permet le flux de molécules le long d'un gradient de concentration et à travers la membrane de la cellule, mais le processus nécessite l'aide d'une protéine. Il existe deux catégories de protéines qui aident ce type de diffusion.

Les premières sont des protéines porteuses, qui peuvent être considérées comme un taxi dans une membrane cellulaire, car elles mélangent les molécules d'un côté de la membrane à l'autre.

La seconde est constituée de protéines de canal, qui ressemblent à des tunnels et créent un trou à travers la membrane cellulaire. Dans ces cas, des canaux s'ouvrent qui permettent aux molécules de les traverser. Bien que la diffusion facilitée implique des protéines, les protéines impliquées ne nécessitent aucune utilisation de la molécule d'énergie connue sous le nom d'ATP.

Des molécules telles que l'oxygène et le dioxyde de carbone peuvent diffuser directement à travers la membrane plasmique, tandis que d'autres molécules ont besoin d'aide pour traverser le noyau hydrophobe.

Dans la diffusion facilitée, les molécules diffusent à travers la membrane plasmique avec l'aide des protéines de la membrane, y compris des protéines telles que les transporteurs et les canaux. Parce qu'un gradient de concentration existe pour ces molécules, elles ont le potentiel de se diffuser à l'extérieur ou à l'intérieur de la cellule elle-même en la traversant.

Parce qu'ils sont polaires ou chargés, cependant, ils sont incapables de traverser la partie phospholipidique de la membrane sans un peu d'aide. En d'autres termes, les protéines qui font partie du transport facilité protègent en fait les molécules du noyau hydrophobe de cette membrane, qui fournit une route qu'elles peuvent traverser.

En résumé, les deux principales classifications des protéines pour un transport facilité sont les protéines porteuses et les canaux.

Diffusion des canaux

Certains experts énumèrent trois types de diffusion au lieu de deux : simple, canalisée et facilitée. Dans ces descriptions, la diffusion de canal est considérée comme un processus passif qui implique les ions et les particules chargées se déplaçant à travers une protéine de canal ou un pore spécifique dans la paroi de la cellule.

Dans ce cas, il n'existe aucune limite au nombre de particules qui voyagent à travers chacun de ces canaux. Les protéines sont en fait intégrées dans la membrane cellulaire, et elles peuvent s'ouvrir et se fermer, ce qui permet aux composés ou aux molécules d'entrer ou de sortir de la cellule. Ce type de diffusion est régulé très facilement par les protéines de la membrane.


Différences entre les protéines porteuses et canaux

Mécanisme

▶ Les protéines porteuses transfèrent les solutés à travers la membrane biologique en se liant au soluté et alternent entre deux conformations. Leur mécanisme est similaire aux réactions enzyme-substrat suivant l'équation de Michaelis-Menten (cependant, ils ne changent pas le substrat, c'est-à-dire le soluté).

Les protéines des canaux interagissent le moins avec le soluté qu'elles transfèrent.

Nature du soluté

Les protéines porteuses transfèrent les solutés polaires et non polaires à travers la membrane biologique.

Les protéines des canaux ne transfèrent que les petits solutés polaires à travers la membrane biologique.

Spécificité

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▶ La spécificité des protéines porteuses est due aux sites de liaison spécifiques auxquels les molécules de soluté se lient.

▶ La spécificité des protéines de canal est due à un filtre de sélectivité ionique.

Filtre de sélectivité ionique : En termes simples, il peut être défini comme la partie la plus étroite du pore qui ne permettra que le passage de molécules spécifiques avec une taille et une charge particulières.

Taux de transfert de soluté

Le taux de transfert de soluté par les protéines porteuses est d'environ 10 4 ions par seconde.

▶ Comme les protéines ne basculent pas d'une conformation à l'autre, le taux de transfert de soluté par les protéines de canal est beaucoup plus élevé, soit 10 8 ions par seconde.

Nature des transports

Les protéines porteuses transportent généralement des molécules contre le gradient de concentration pour ce faire, elles nécessitent de l'énergie. Cette énergie peut lui être fournie soit par hydrolyse de l'ATP (appelée transport actif) soit couplée au transfert d'une autre molécule de soluté (appelée diffusion facilitée).

Exemples de transport actif médié par une protéine porteuse

1. Na + /K + ATPase : Il joue un rôle important dans l'absorption du glucose par la cellule. Trois ions Na + sont pompés hors de la cellule et deux ions K + sont pompés à l'intérieur de la cellule. Cela a lieu contre le gradient de concentration, et 1 ATP est consommé pour ce processus. Ces ions Na + aident à amener le glucose à l'intérieur de la cellule (discuté ci-dessous).

2. SR Ca 2+ ATPase : Il est présent dans le réticulum sarcoplasmique (abrégé en réticulum endoplasmique spécialisé SR présent dans les cellules musculaires). Deux ions Ca 2+ sont transportés du cytosol dans le SR. Cette étape consomme 1 ATP et est nécessaire à la contraction des muscles.

Exemples de diffusion facilitée par la protéine porteuse

1. Symport : Co-transport de molécules ou d'ions dans le même sens de la membrane biologique.

Par exemple. Pompe à glucose entraînée par Na + : Il est présent dans les cellules épithéliales intestinales. Le glucose est absorbé par les cellules intestinales grâce à cette pompe. Ici, le glucose se déplace contre son gradient de concentration. L'énergie pour effectuer cela est fournie par le mouvement des ions Na+ dans les cellules, ce mouvement se fait vers le bas de son gradient de concentration et est favorisé.

2. Antiport : Co-transport de molécules ou d'ions dans le sens opposé de la membrane biologique.

Par exemple. Echangeur Na + /Ca 2+ : Ici, les ions Na + descendent leurs gradients de concentration, ce qui fournit de l'énergie pour le mouvement du Ca 2+ contre son gradient de concentration. Trois ions Na + sont transportés à l'intérieur de la cellule et un ion Ca 2+ est pompé hors de la cellule.

Les protéines de canal transportent toujours les molécules vers le bas du gradient de concentration par un processus de diffusion et, par conséquent, assurent le transport passif.

Exemples de transport passif médié par des protéines de canal

Les canaux ioniques ne sont pas ouverts en permanence et sont dits fermés, qui ne s'ouvrent qu'en réponse à un stimulus spécifique.

1. Canaux voltage-dépendants : Ces canaux ioniques sont activés lorsqu'une différence de potentiel est générée à travers la membrane biologique. Les canaux calciques voltage-dépendants, qui se trouvent sur la membrane cellulaire des neurones, des cellules gliales et des cellules musculaires, en sont un exemple. Ces canaux sont activés lorsqu'il y a une différence de potentiel à travers la membrane et provoquent un afflux d'ions Ca 2+ à l'intérieur des cellules. Ils peuvent jouer un rôle dans la neurotransmission, la relaxation musculaire, l'expression des gènes, etc., selon le type de cellule sur laquelle ils sont présents.

2. Canaux Ligand-Gated : Le canal du récepteur de l'acétylcholine nicotinique (nAchR) se trouve généralement dans les jonctions neuromusculaires. Lorsque le canal nAchR se lie au neurotransmetteur, l'acétylcholine (ligand), les canaux fermés s'ouvrent et permettent l'afflux d'ions Na +, aidant ainsi à la contraction des muscles.

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Exemples de protéines de transport

La pompe sodium-potassium

L'exemple le plus célèbre d'une protéine de transport active primaire est la pompe sodium-potassium. C'est cette pompe qui crée le gradient d'ions qui permet aux neurones de se déclencher.

La pompe sodium-potassium commence avec ses sites de fixation du sodium tournés vers l'intérieur de la cellule. Ces sites attirent les ions sodium et les retiennent.

Lorsque chacun de ses trois sites de liaison au sodium a lié un ion sodium, la protéine se lie alors à une molécule d'ATP et la divise en ADP + un groupe phosphate. La protéine utilise l'énergie libérée dans ce processus pour changer de forme.

Maintenant, les sites de liaison du sodium font face à la solution extracellulaire. Ils libèrent les trois ions sodium à l'extérieur de la cellule, tandis que les sites de liaison au potassium des protéines se lient à deux ions potassium.

Lorsque les deux sites de liaison au potassium sont pleins, la protéine reprend sa forme d'origine. Maintenant, les ions potassium sont libérés à l'intérieur de la cellule et les sites de liaison au sodium vides peuvent lier davantage d'ions sodium.

Pour chaque ATP utilisé par cette pompe, elle transporte trois ions chargés positivement à l'extérieur de la cellule, tout en n'en transportant que deux à l'intérieur. Cela crée un gradient électrochimique, l'intérieur de la cellule étant chargé négativement par rapport à la solution extérieure. Cela crée également un fort gradient de concentration, avec beaucoup plus de potassium à l'intérieur de la cellule et beaucoup plus de sodium à l'extérieur.

Lorsque vient le temps de déclencher une cellule nerveuse, les forts gradients électriques et chimiques permettent à la cellule de produire un énorme changement instantané en ouvrant ses canaux ioniques voltage-dépendants.

Protéines de transport sodium-glucose

La protéine de transport sodium-glucose utilise un transport actif secondaire pour déplacer le glucose dans les cellules. Ils sont actifs dans les cellules intestinales et les cellules rénales, qui ont toutes deux besoin de déplacer le glucose dans les systèmes du corps contre son gradient de concentration.

Cette opération nécessite de l'énergie, car les cellules en question ont une concentration en glucose plus élevée que le liquide extracellulaire. Par conséquent, il serait impossible que le glucose diffuse dans les cellules sur sa propre énergie doit être appliquée.

Dans ce cas, l'énergie provient du gradient de concentration du sodium. Grâce à l'action de la pompe sodium-potassium, il y a beaucoup plus de sodium à l'extérieur de la cellule qu'à l'intérieur. Il existe donc un fort gradient de concentration favorisant le mouvement du sodium dans la cellule.

Ce gradient de concentration peut être considéré comme un type d'« énergie stockée ». La pompe sodium-potassium prend l'énergie de l'ATP et la transforme en ce gradient de concentration, qui peut ensuite être utilisé à d'autres fins, telles que la protéine de transport sodium-glucose.

Canaux ioniques fermés dans la cochlée

Les canaux ioniques fermés sont des protéines de transport passives qui s'ouvrent en réponse à des stimuli spécifiques. Vous connaissez peut-être les canaux ioniques voltage-dépendants, tels que ceux qui provoquent le déclenchement de nos neurones en réponse à l'entrée d'autres neurones.

Les canaux ioniques fermés de la cochlée sont moins connus - qui sont ouverts par une pression mécanique au lieu de changements de tension. Ces canaux ioniques remarquables permettent aux nerfs de notre oreille interne de se déclencher en réponse aux vibrations du son. C'est ainsi que nous entendons.

Dans la cochlée, des cellules spéciales appelées « cellules ciliées » sont responsables de notre audition. Les « cellules ciliées externes » se balancent en réponse aux ondes sonores, amplifiant leurs vibrations.

Les cellules ciliées internes, en revanche, ont un travail très spécial. En réponse à ces vibrations, ils ouvrent des canaux ioniques dans leurs membranes cellulaires et libèrent des neurotransmetteurs, comme le ferait un neurone.

Ces neurotransmetteurs provoquent la décharge des nerfs adjacents. Et c'est ainsi que le son est converti en impulsions neuronales !


Transport actif

Transport actif mécanismes nécessitent l'utilisation de l'énergie de la cellule, généralement sous la forme d'adénosine triphosphate (ATP). Si une substance doit entrer dans la cellule contre son gradient de concentration, c'est-à-dire si la concentration de la substance à l'intérieur de la cellule est supérieure à sa concentration dans le liquide extracellulaire (et vice versa), la cellule doit utiliser de l'énergie pour déplacer la substance. Certains mécanismes de transport actifs déplacent des matériaux de faible poids moléculaire, tels que des ions, à travers la membrane. D'autres mécanismes transportent des molécules beaucoup plus grosses.

Gradient électrochimique

Nous avons discuté de simples gradients de concentration (concentrations différentielles d'une substance à travers un espace ou une membrane), mais dans les systèmes vivants, les gradients sont plus complexes. Parce que les ions entrent et sortent des cellules et parce que les cellules contiennent des protéines qui ne traversent pas la membrane et sont pour la plupart chargées négativement, il existe également un gradient électrique, une différence de charge, à travers la membrane plasmique. L'intérieur des cellules vivantes est électriquement négatif par rapport au liquide extracellulaire dans lequel elles baignent, et en même temps, les cellules ont des concentrations plus élevées de potassium (K + ) et des concentrations plus faibles de sodium (Na + ) que le liquide extracellulaire. . Ainsi, dans une cellule vivante, le gradient de concentration de Na + a tendance à le conduire dans la cellule, et le gradient électrique de Na + (un ion positif) a également tendance à le conduire vers l'intérieur chargé négativement. La situation est cependant plus complexe pour d'autres éléments comme le potassium. Le gradient électrique de K + , un ion positif, a également tendance à le conduire dans la cellule, mais le gradient de concentration de K + a tendance à conduire K + dehors de la cellule (Figure 1). Le gradient combiné de concentration et de charge électrique qui affecte un ion est appelé son gradient électrochimique.

Question de pratique

Figure 1. Les gradients électrochimiques résultent des effets combinés des gradients de concentration et des gradients électriques. (crédit : “Synaptitude”/Wikimedia Commons)

L'injection d'une solution de potassium dans le sang d'une personne est mortelle, elle est utilisée pour la peine capitale et l'euthanasie. Pourquoi pensez-vous qu'une injection de solution de potassium est mortelle?

Se déplacer contre un dégradé

Pour déplacer des substances contre une concentration ou un gradient électrochimique, la cellule doit utiliser de l'énergie. Cette énergie est récoltée à partir de l'ATP généré par le métabolisme cellulaire. Les mécanismes de transport actif, appelés collectivement pompes, agissent contre les gradients électrochimiques. De petites substances traversent constamment les membranes plasmiques. Le transport actif maintient les concentrations d'ions et d'autres substances nécessaires aux cellules vivantes face à ces mouvements passifs. Une grande partie de l'approvisionnement en énergie métabolique d'une cellule peut être dépensée pour maintenir ces processus. (La majeure partie de l'énergie métabolique d'un globule rouge est utilisée pour maintenir le déséquilibre entre les niveaux de sodium et de potassium extérieurs et intérieurs requis par la cellule.) Étant donné que les mécanismes de transport actifs dépendent du métabolisme énergétique d'une cellule, ils sont sensibles à de nombreux poisons métaboliques qui interfèrent avec l'approvisionnement en ATP.

Deux mécanismes existent pour le transport de matériaux de faible poids moléculaire et de petites molécules. Transport actif primaire déplace les ions à travers une membrane et crée une différence de charge à travers cette membrane, qui dépend directement de l'ATP. Transport actif secondaire décrit le mouvement de matière qui est dû au gradient électrochimique établi par le transport actif primaire qui ne nécessite pas directement d'ATP.

Protéines porteuses pour le transport actif

Une adaptation membranaire importante pour le transport actif est la présence de protéines porteuses spécifiques ou de pompes pour faciliter le mouvement : il existe trois types de ces protéines ou transporteurs (Figure 2). UNE uniporteur porte un ion ou une molécule spécifique. UNE symporteur transporte deux ions ou molécules différents, tous deux dans la même direction. Un antiporteur porte également deux ions ou molécules différents, mais dans des directions différentes. Tous ces transporteurs peuvent également transporter de petites molécules organiques non chargées comme le glucose. Ces trois types de protéines porteuses sont également présentes dans la diffusion facilitée, mais elles ne nécessitent pas d'ATP pour fonctionner dans ce processus. Quelques exemples de pompes pour le transport actif sont Na +– K + ATPase, qui transporte les ions sodium et potassium, et H +– K + ATPase, qui transporte les ions hydrogène et potassium. Ces deux protéines sont porteuses d'antiporteurs. Deux autres protéines porteuses sont la Ca2 + ATPase et la H + ATPase, qui ne transportent respectivement que des ions calcium et uniquement des ions hydrogène. Les deux sont des pompes.

Figure 2. Un uniporteur transporte une molécule ou un ion. Un symporteur transporte deux molécules ou ions différents, tous deux dans la même direction. Un antiporteur transporte également deux molécules ou ions différents, mais dans des directions différentes. (crédit: modification du travail par “Lupask”/Wikimedia Commons)

Transport actif primaire

Le transport actif primaire qui fonctionne avec le transport actif du sodium et du potassium permet au transport actif secondaire de se produire. Le second mode de transport est toujours considéré comme actif car il dépend de l'utilisation d'énergie comme le transport primaire (Figure 3).

Figure 3. Le transport actif primaire déplace les ions à travers une membrane, créant un gradient électrochimique (transport électrogénique). (crédit : modification d'œuvre par Mariana Ruiz Villareal)

L'une des pompes les plus importantes dans les cellules animales est la pompe sodium-potassium (Na + -K + ATPase), qui maintient le gradient électrochimique (et les concentrations correctes de Na + et K + ) dans les cellules vivantes. La pompe sodium-potassium déplace K + dans la cellule tout en déplaçant Na+ en même temps, dans un rapport de trois Na + pour deux ions K + entrés. La Na + -K + ATPase existe sous deux formes, selon son orientation vers l'intérieur ou l'extérieur de la cellule et son affinité pour les ions sodium ou potassium. Le processus comprend les six étapes suivantes.

  1. L'enzyme étant orientée vers l'intérieur de la cellule, le support a une forte affinité pour les ions sodium. Trois ions se lient à la protéine.
  2. L'ATP est hydrolysé par la protéine porteuse et un groupe phosphate à faible énergie s'y attache.
  3. En conséquence, le support change de forme et se réoriente vers l'extérieur de la membrane. L'affinité de la protéine pour le sodium diminue et les trois ions sodium quittent le support.
  4. Le changement de forme augmente l'affinité du porteur pour les ions potassium, et deux de ces ions se fixent à la protéine. Par la suite, le groupe phosphate de faible énergie se détache du support.
  5. Avec le groupe phosphate retiré et les ions potassium attachés, la protéine porteuse se repositionne vers l'intérieur de la cellule.
  6. La protéine porteuse, dans sa nouvelle configuration, a une affinité diminuée pour le potassium, et les deux ions sont libérés dans le cytoplasme. La protéine a maintenant une plus grande affinité pour les ions sodium, et le processus recommence.

Plusieurs choses se sont produites à la suite de ce processus. À ce stade, il y a plus d'ions sodium à l'extérieur de la cellule qu'à l'intérieur et plus d'ions potassium à l'intérieur qu'à l'extérieur. Pour trois ions de sodium qui sortent, deux ions de potassium entrent. Cela fait que l'intérieur est légèrement plus négatif par rapport à l'extérieur. Cette différence de charge est importante pour créer les conditions nécessaires au processus secondaire. La pompe sodium-potassium est donc une pompe électrogène (une pompe qui crée un déséquilibre de charge), créant un déséquilibre électrique à travers la membrane et contribuant au potentiel membranaire.

Transport Actif Secondaire (Co-transport)

Le transport actif secondaire amène les ions sodium, et éventuellement d'autres composés, dans la cellule. À mesure que les concentrations d'ions sodium s'accumulent à l'extérieur de la membrane plasmique en raison de l'action du processus de transport actif primaire, un gradient électrochimique est créé. Si une protéine de canal existe et est ouverte, les ions sodium seront tirés à travers la membrane. Ce mouvement est utilisé pour transporter d'autres substances qui peuvent se fixer à la protéine de transport à travers la membrane (Figure 4). De nombreux acides aminés, ainsi que le glucose, pénètrent ainsi dans une cellule. Ce processus secondaire est également utilisé pour stocker des ions hydrogène à haute énergie dans les mitochondries des cellules végétales et animales pour la production d'ATP. L'énergie potentielle qui s'accumule dans les ions hydrogène stockés est convertie en énergie cinétique lorsque les ions traversent la protéine canal ATP synthase, et cette énergie est utilisée pour convertir l'ADP en ATP.

Question de pratique

Un gradient électrochimique, créé par le transport actif primaire, peut déplacer d'autres substances contre leurs gradients de concentration, un processus appelé co-transport ou transport actif secondaire.

Figure 4. (crédit : modification de l'œuvre par Mariana Ruiz Villareal)


Diffusion active

Le transport actif est le mouvement d'une substance à travers une membrane contre son gradient de concentration. Il s'agit généralement d'accumuler de fortes concentrations de molécules dont une cellule a besoin, comme le glucose ou les acides aminés. Si le processus utilise de l'énergie chimique, telle que l'adénosine triphosphate (ATP), on parle de transport actif primaire. Le transport actif secondaire implique l'utilisation d'un gradient électrochimique et n'utilise pas l'énergie produite dans la cellule. Contrairement aux protéines de canal qui transportent uniquement des substances à travers les membranes de manière passive, les protéines porteuses peuvent transporter des ions et des molécules soit passivement par diffusion facilitée, soit via un transport actif secondaire. « Une protéine porteuse est nécessaire pour déplacer les particules des zones de faible concentration vers les zones de forte concentration. Ces protéines porteuses ont des récepteurs qui se lient à une molécule spécifique (substrat) nécessitant un transport. La molécule ou l'ion à transporter (le substrat) doit d'abord se lier à un site de liaison de la molécule porteuse, avec une certaine affinité de liaison. Après la liaison, et tandis que le site de liaison fait face de la même manière, le support va capturer ou occlure (absorber et retenir) le substrat dans sa structure moléculaire et provoquer une translocation interne de sorte que l'ouverture dans la protéine fait maintenant face à l'autre côté de la membrane plasmique. ⎘] Le substrat de la protéine porteuse est libéré sur ce site, en fonction de son affinité de liaison.


3.1 La membrane cellulaire

Malgré les différences de structure et de fonction, toutes les cellules vivantes des organismes multicellulaires ont une membrane cellulaire environnante. Tout comme la couche externe de votre peau sépare votre corps de son environnement, la membrane cellulaire (également appelée membrane plasmique) sépare le contenu interne d'une cellule de son environnement extérieur. Cette membrane cellulaire fournit une barrière protectrice autour de la cellule et régule quels matériaux peuvent entrer ou sortir.

Structure et composition de la membrane cellulaire

Les membrane cellulaire est une structure extrêmement souple composée principalement de deux couches de phospholipides (une « bicouche »). Le cholestérol et diverses protéines sont également noyés dans la membrane, donnant à la membrane une variété de fonctions décrites ci-dessous.

Une seule molécule de phospholipide a un groupe phosphate à une extrémité, appelée « tête », et deux chaînes côte à côte d'acides gras qui constituent les « queues » lipidiques (figure 3.1.1). Les queues lipidiques d'une couche font face aux queues lipidiques de l'autre couche, se rencontrant à l'interface des deux couches. Les têtes phospholipidiques sont tournées vers l'extérieur, une couche exposée à l'intérieur de la cellule et une couche exposée à l'extérieur (Figure 3.1.1).

Figure 3.1.1 – Structure des phospholipides et bicouche : Une molécule de phospholipide se compose d'une « tête » de phosphate polaire qui est hydrophile et d'une « queue » de lipide non polaire qui est hydrophobe. Les acides gras insaturés entraînent des plis dans les queues hydrophobes. La bicouche phospholipidique est constituée de deux feuilles adjacentes de phospholipides, disposées queue à queue. Les queues hydrophobes s'associent les unes aux autres, formant l'intérieur de la membrane. Les têtes polaires entrent en contact avec le fluide à l'intérieur et à l'extérieur de la cellule.

Le groupe phosphate est chargé négativement, ce qui rend la tête polaire et hydrophile – ou « aime l'eau ». UNE hydrophile molécule (ou région d'une molécule) est celle qui est attirée par l'eau. Les têtes de phosphate sont ainsi attirées par les molécules d'eau des environnements extracellulaire et intracellulaire. Les queues lipidiques, en revanche, ne sont pas chargées ou non polaires et sont hydrophobes – ou « craignent l'eau ». UNE hydrophobe molécule (ou région d'une molécule) repousse et est repoussée par l'eau. Les phospholipides sont donc des molécules amphipathiques. Un amphipathique molécule est celle qui contient à la fois une région hydrophile et une région hydrophobe. En fait, le savon élimine les taches d'huile et de graisse car il a des propriétés amphipathiques. La partie hydrophile peut se dissoudre dans l'eau de lavage tandis que la partie hydrophobe peut piéger la graisse dans les taches qui peuvent ensuite être lavées. Un processus similaire se produit dans votre système digestif lorsque les sels biliaires (fabriqués à partir de cholestérol, de phospholipides et de sel) aident à décomposer les lipides ingérés.

Étant donné que les groupes phosphate sont polaires et hydrophiles, ils sont attirés par l'eau dans le liquide intracellulaire. Liquide intracellulaire (CIF) est l'intérieur fluide de la cellule. Les groupes phosphate sont également attirés par le liquide extracellulaire. Liquide extracellulaire (ECF) est l'environnement fluide à l'extérieur de l'enceinte de la membrane cellulaire (voir figure ci-dessus). Étant donné que les queues lipidiques sont hydrophobes, elles se rencontrent dans la région interne de la membrane, excluant le liquide intracellulaire et extracellulaire aqueux de cet espace. En plus des phospholipides et du cholestérol, la membrane cellulaire contient de nombreuses protéines détaillées dans la section suivante.

Protéines membranaires

La bicouche lipidique forme la base de la membrane cellulaire, mais elle est parsemée de diverses protéines. Deux types différents de protéines qui sont couramment associés à la membrane cellulaire sont la protéine intégrale et la protéine périphérique (Figure 3.1.2). Comme son nom l'indique, un Protéine intégrale est une protéine intégrée dans la membrane. Il existe de nombreux types différents de protéines intégrales, chacune avec des fonctions différentes. Par exemple, une protéine intégrale qui prolonge une ouverture à travers la membrane pour que les ions entrent ou sortent de la cellule est connue sous le nom de protéine de canal. Les protéines périphériques se trouvent généralement sur la surface interne ou externe de la bicouche lipidique, mais peuvent également être attachées à la surface interne ou externe d'une protéine intégrale.

Figure 3.1.2- Membrane cellulaire : La membrane cellulaire de la cellule est une bicouche phospholipidique contenant de nombreux composants moléculaires différents, y compris des protéines et du cholestérol, certains avec des groupes d'hydrates de carbone attachés.

Certaines protéines intégrales servent de reconnaissance cellulaire ou des protéines d'identité de surface, qui marquent l'identité d'une cellule afin qu'elle puisse être reconnue par d'autres cellules. Certaines protéines intégrales agissent comme des enzymes, ou dans l'adhésion cellulaire, entre les cellules voisines. UNE récepteur est un type de protéine de reconnaissance qui peut lier sélectivement une molécule spécifique à l'extérieur de la cellule, et cette liaison induit une réaction chimique à l'intérieur de la cellule. Certaines protéines intégrales jouent le double rôle de récepteur et de canal ionique. Un exemple d'interaction récepteur-canal est celui des récepteurs des cellules nerveuses qui se lient aux neurotransmetteurs, tels que la dopamine. Lorsqu'une molécule de dopamine se lie à une protéine réceptrice de la dopamine, un canal au sein de la protéine transmembranaire s'ouvre pour permettre à certains ions de s'écouler dans la cellule. Les protéines périphériques sont souvent associées à des protéines intégrales le long de la membrane cellulaire interne où elles jouent un rôle dans la signalisation cellulaire ou l'ancrage aux composants cellulaires internes (c'est-à-dire le cytosquelette discuté plus loin).

Certaines protéines membranaires intégrales sont des glycoprotéines. UNE glycoprotéine est une protéine à laquelle sont attachées des molécules de glucides qui s'étendent dans l'environnement extracellulaire. Les balises glucidiques attachées sur les glycoprotéines facilitent la reconnaissance cellulaire. Les glucides qui s'étendent des protéines membranaires et même de certains lipides membranaires forment collectivement le glycocalyx. Les glycocalyx est un revêtement d'apparence floue autour de la cellule formé de glycoprotéines et d'autres glucides attachés à la membrane cellulaire. Le glycocalyx peut avoir différents rôles. Par exemple, il peut contenir des molécules qui permettent à la cellule de se lier à une autre cellule, il peut contenir des récepteurs d'hormones ou il peut avoir des enzymes pour décomposer les nutriments. Les glycocalyces trouvés dans le corps d'une personne sont des produits de la constitution génétique de cette personne. Ils donnent à chacun des billions de cellules de l'individu l'« identité » d'appartenance au corps de la personne. Cette identité est le principal moyen par lequel les cellules de défense immunitaire d'une personne "savent" ne pas attaquer les propres cellules de son corps, mais c'est aussi la raison pour laquelle les organes donnés par une autre personne pourraient être rejetés.

Transport à travers la membrane cellulaire

L'une des grandes merveilles de la membrane cellulaire est sa capacité à réguler la concentration de substances à l'intérieur de la cellule. Ces substances comprennent des ions tels que Ca ++ , Na + , K + et Cl - , des nutriments comme les sucres, les acides gras et les acides aminés, et les déchets, en particulier le dioxyde de carbone (CO2), qui doit quitter la cellule.

La structure bicouche lipidique de la membrane fournit le premier niveau de contrôle. Les phospholipides sont étroitement emballés ensemble et la membrane a un intérieur hydrophobe. Cette structure rend la membrane sélectivement perméable. Une membrane qui a perméabilité sélective permet uniquement aux substances répondant à certains critères de le traverser sans aide. Dans le cas de la membrane cellulaire, seuls des matériaux non polaires relativement petits peuvent se déplacer à travers la bicouche lipidique (rappelez-vous, les queues lipidiques de la membrane sont non polaires). Quelques exemples de ceux-ci sont d'autres lipides, l'oxygène et le dioxyde de carbone et l'alcool. Cependant, les matériaux solubles dans l'eau, comme le glucose, les acides aminés et les électrolytes, ont besoin d'aide pour traverser la membrane car ils sont repoussés par les queues hydrophobes de la bicouche phospholipidique. Toutes les substances qui se déplacent à travers la membrane le font par l'une des deux méthodes générales, qui sont classées selon qu'il faut ou non de l'énergie. Le transport passif est le mouvement de substances à travers la membrane sans dépense d'énergie cellulaire. En revanche, le transport actif est le mouvement de substances à travers la membrane en utilisant l'énergie de l'adénosine triphosphate (ATP).

Transport passif

Pour comprendre comment les substances se déplacent passivement à travers une membrane cellulaire, il est nécessaire de comprendre les gradients de concentration et la diffusion. UNE le gradient de concentration est la différence de concentration d'une substance dans un espace. Les molécules (ou ions) se répandront/diffusionront de l'endroit où elles sont plus concentrées à l'endroit où elles sont moins concentrées jusqu'à ce qu'elles soient également réparties dans cet espace. (Quand les molécules se déplacent de cette manière, on dit qu'elles se déplacent vers le bas leur gradient de concentration, de la concentration élevée à la concentration faible.) La diffusion est le mouvement des particules d'une zone de concentration plus élevée vers une zone de concentration plus faible. Quelques exemples courants aideront à illustrer ce concept. Imaginez être à l'intérieur d'une pièce fermée. Si un flacon de parfum était vaporisé, les molécules olfactives diffuseraient naturellement de l'endroit où elles ont quitté le flacon vers tous les coins de la pièce, et cette diffusion se poursuivrait jusqu'à ce que les molécules soient également réparties dans la pièce. Un autre exemple est une cuillerée de sucre placée dans une tasse de thé. Finalement, le sucre se diffusera dans le thé jusqu'à ce qu'il ne reste plus de gradient de concentration. Dans les deux cas, si la pièce est plus chaude ou le thé plus chaud, la diffusion se produit encore plus rapidement car les molécules se heurtent et s'étalent plus rapidement qu'à des températures plus froides.

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Visitez ce lien pour voir la diffusion et comment elle est propulsée par l'énergie cinétique des molécules en solution. Comment la température affecte-t-elle le taux de diffusion, et pourquoi ?

Chaque fois qu'une substance existe en plus grande concentration sur un côté d'une membrane semi-perméable, telle que les membranes cellulaires, toute substance qui peut descendre son gradient de concentration à travers la membrane le fera. Si les substances peuvent traverser la membrane cellulaire sans que la cellule ne dépense d'énergie, le mouvement des molécules est appelé transport passif. Considérez les substances qui peuvent facilement diffuser à travers la bicouche lipidique de la membrane cellulaire, telles que les gaz oxygène (O2) et le dioxyde de carbone (CO2). Ces petits gaz liposolubles et autres petites molécules liposolubles peuvent se dissoudre dans la membrane et entrer ou sortir de la cellule suivant leur gradient de concentration. Ce mécanisme de molécules se déplaçant à travers une membrane cellulaire du côté où elles sont plus concentrées vers le côté où elles sont moins concentrées est une forme de transport passif appelé Diffusion simple. O2 generally diffuses into cells because it is more concentrated outside of them, and CO2 typically diffuses out of cells because it is more concentrated inside of them.

Before moving on, it is important to realize that the concentration gradients for oxygen and carbon dioxide will always exist across a living cell and never reach equal distribution. This is because cells rapidly use up oxygen during metabolism and so, there is typically a lower concentration of O2 inside the cell than outside. As a result, oxygen will diffuse from outside the cell directly through the lipid bilayer of the membrane and into the cytoplasm within the cell. On the other hand, because cells produce CO2 as a byproduct of metabolism, CO2 concentrations rise within the cytoplasm therefore, CO2 will move from the cell through the lipid bilayer and into the extracellular fluid, where its concentration is lower. (Figure 3.1.3).

Figure 3.1.3 – Simple Diffusion Across the Cell (Plasma) Membrane: The structure of the lipid bilayer allows small, uncharged substances such as oxygen and carbon dioxide, and hydrophobic molecules such as lipids, to pass through the cell membrane, down their concentration gradient, by simple diffusion.

Large polar or ionic molecules, which are hydrophilic, cannot easily cross the phospholipid bilayer. Charged atoms or molecules of any size cannot cross the cell membrane via simple diffusion as the charges are repelled by the hydrophobic tails in the interior of the phospholipid bilayer. Solutes dissolved in water on either side of the cell membrane will tend to diffuse down their concentration gradients, but because most substances cannot pass freely through the lipid bilayer of the cell membrane, their movement is restricted to protein channels and specialized transport mechanisms in the membrane. Facilitated diffusion is the diffusion process used for those substances that cannot cross the lipid bilayer due to their size, charge, and/or polarity but do so down their concentration gradients (Figure 3.1.4). As an example, even though sodium ions (Na + ) are highly concentrated outside of cells, these electrolytes are charged and cannot pass through the nonpolar lipid bilayer of the membrane. Their diffusion is facilitated by membrane proteins that form sodium channels (or “pores”), so that Na+ ions can move down their concentration gradient from outside the cells to inside the cells. A common example of facilitated diffusion using a protéine porteuse is the movement of glucose into the cell, where it is used to make ATP. Although glucose can be more concentrated outside of a cell, it cannot cross the lipid bilayer via simple diffusion because it is both large and polar, and therefore, repelled by the phospholipid membrane. To resolve this, a specialized carrier protein called the glucose transporter will transfer glucose molecules into the cell to facilitate its inward diffusion. The difference between a channel and a carrier is that the carrier usually changes shape during the diffusion process, while the channel does not. There are many other solutes that must undergo facilitated diffusion to move into a cell, such as amino acids, or to move out of a cell, such as wastes.

Figure 3.1.4 – Facilitated Diffusion: (a) Facilitated diffusion of substances crossing the cell (plasma) membrane takes place with the help of proteins such as channel proteins and carrier proteins. Channel proteins are less selective than carrier proteins, and usually mildly discriminate between their cargo based on size and charge. (b) Carrier proteins are more selective, often only allowing one particular type of molecule to cross.

A specialized example of facilitated transport is water moving across the cell membrane of all cells, through protein channels known as aquaporins. Osmose is the diffusion of water through a semipermeable membrane from where there is more relative water to where there is less relative water (down its water concentration gradient) (Figure 3.1.5).

Figure 3.1.5 – Osmosis: Osmosis is the diffusion of water through a semipermeable membrane down its concentration gradient. If a membrane is permeable to water, though not to a solute, water will equalize its own concentration by diffusing to the side of lower water concentration (and thus the side of higher solute concentration). In the beaker on the left, the solution on the right side of the membrane is hypertonic.

On their own, cells cannot regulate the movement of water molecules across their membrane, so it is important that cells are exposed to an environment in which the concentration of solutes outside of the cells (in the extracellular fluid) is equal to the concentration of solutes inside the cells (in the cytoplasm). Two solutions that have the same concentration of solutes are said to be isotonique (equal tension). When cells and their extracellular environments are isotonic, the concentration of water molecules is the same outside and inside the cells, and the cells maintain their normal shape (and function).

Osmosis occurs when there is an imbalance of solutes outside of a cell versus inside the cell. A solution that has a higher concentration of solutes than another solution is said to be hypertonique, and water molecules tend to diffuse into a hypertonic solution (Figure 3.1.6). Cells in a hypertonic solution will shrivel as water leaves the cell via osmosis. In contrast, a solution that has a lower concentration of solutes than another solution is said to be hypotonique, and water molecules tend to diffuse out of a hypotonic solution. Cells in a hypotonic solution will take on too much water and swell, with the risk of eventually bursting. A critical aspect of homeostasis in living things is to create an internal environment in which all of the body’s cells are in an isotonic solution. Various organ systems, particularly the kidneys, work to maintain this homeostasis.

Figure 3.1.6 – Concentration of Solution: A hypertonic solution has a solute concentration higher than another solution. An isotonic solution has a solute concentration equal to another solution. A hypotonic solution has a solute concentration lower than another solution.

Transport actif

For all of the transport methods described above, the cell expends no energy. Membrane proteins that aid in the passive transport of substances do so without the use of ATP. During primary active transport, ATP is required to move a substance across a membrane, with the help of membrane protein, and contre its concentration gradient.

One of the most common types of active transport involves proteins that serve as pumps. The word “pump” probably conjures up thoughts of using energy to pump up the tire of a bicycle or a basketball. Similarly, energy from ATP is required for these membrane proteins to transport substances—molecules or ions—across the membrane, against their concentration gradients (from an area of low concentration to an area of high concentration).

Les pompe sodium-potassium, which is also called Na + /K + ATPase, transports sodium out of a cell while moving potassium into the cell. The Na + /K + pump is an important ion pump found in the membranes of all cells. The activity of these pumps in nerve cells is so great that it accounts for the majority of their ATP usage.

Figure 3.1.7 The sodium-potassium pump is found in many cell (plasma) membranes. Powered by ATP, the pump moves sodium and potassium ions in opposite directions, each against its concentration gradient. In a single cycle of the pump, three sodium ions are extruded from and two potassium ions are imported into the cell.

Active transport pumps can also work together with other active or passive transport systems to move substances across the membrane. For example, the sodium-potassium pump maintains a high concentration of sodium ions outside of the cell. Therefore, if the cell needs sodium ions, all it has to do is open a passive sodium channel, as the concentration gradient of the sodium ions will drive them to diffuse into the cell. In this way, the action of an active transport pump (the sodium-potassium pump) powers the passive transport of sodium ions by creating a concentration gradient. When active transport powers the transport of another substance in this way, it is called secondary active transport.

Symporters are secondary active transporters that move two substances in the same direction. For example, the sodium-glucose symporter uses sodium ions to “pull” glucose molecules into the cell. Since cells store glucose for energy, glucose is typically at a higher concentration inside of the cell than outside however, due to the action of the sodium-potassium pump, sodium ions will easily diffuse into the cell when the symporter is opened. The flood of sodium ions through the symporter provides the energy that allows glucose to move through the symporter and into the cell, against its concentration gradient.

Conversely, antiporters are secondary active transport systems that transport substances in opposite directions. For example, the sodium-hydrogen ion antiporter uses the energy from the inward flood of sodium ions to move hydrogen ions (H + ) out of the cell. The sodium-hydrogen antiporter is used to maintain the pH of the cell’s interior.

Other Forms of Membrane Transport

Other forms of active transport do not involve membrane carriers. Endocytose (bringing “into the cell”) is the process of a cell ingesting material by enveloping it in a portion of its cell membrane, and then pinching off that portion of membrane (Figure 3.1.8). Once pinched off, the portion of membrane and its contents becomes an independent, intracellular vesicle. UNE vesicle is a membranous sac—a spherical and hollow organelle bounded by a lipid bilayer membrane. Endocytosis often brings materials into the cell that must to be broken down or digested. Phagocytose (“cell eating”) is the endocytosis of large particles. Many immune cells engage in phagocytosis of invading pathogens. Like little Pac-men, their job is to patrol body tissues for unwanted matter, such as invading bacterial cells, phagocytize them, and digest them. In contrast to phagocytosis, pinocytose (“cell drinking”) brings fluid containing dissolved substances into a cell through membrane vesicles.

Figure 3.1.8 – Three Forms of Endocytosis: Endocytosis is a form of active transport in which a cell envelopes extracellular materials using its cell membrane. (a) In phagocytosis, which is relatively nonselective, the cell takes in large particles into larger vesicles known as vacuoles. (b) In pinocytosis, the cell takes in small particles in fluid. (c) In contrast, receptor-mediated endocytosis is quite selective. When external receptors bind a specific ligand, the cell responds by endocytosing the ligand.

Phagocytosis and pinocytosis take in large portions of extracellular material, and they are typically not highly selective in the substances they bring in. Cells regulate the endocytosis of specific substances via receptor-mediated endocytosis. L'endocytose médiée par le récepteur is endocytosis by a portion of the cell membrane which contains many receptors that are specific for a certain substance. Once the surface receptors have bound sufficient amounts of the specific substance (the receptor’s ligand), the cell will endocytose the part of the cell membrane containing the receptor-ligand complexes. Iron, a required component of hemoglobin, is endocytosed by red blood cells in this way. Iron is bound to a protein called transferrin in the blood. Specific transferrin receptors on red blood cell surfaces bind the iron-transferrin molecules, and the cell endocytoses the receptor-ligand complexes.

In contrast with endocytosis, exocytosis (taking “out of the cell”) is the process of a cell exporting material using vesicular transport (Figure 3.1.9). Many cells manufacture substances that must be secreted, like a factory manufacturing a product for export. These substances are typically packaged into membrane-bound vesicles within the cell. When the vesicle membrane fuses with the cell membrane, the vesicle releases its contents into the interstitial fluid. The vesicle membrane then becomes part of the cell membrane.

Specific examples of exocytosis include cells of the stomach and pancreas producing and secreting digestive enzymes through exocytosis (Figure 3.1.10) and endocrine cells producing and secreting hormones that are sent throughout the body.

The addition of new membrane to the plasma membrane is usually coupled with endocytosis so that the cell is not constantly enlarging. Through these processes, the cell membrane is constantly renewing and changing as needed by the cell.

Figure 3.1.9 – Exocytosis: Exocytosis is much like endocytosis in reverse. Material destined for export is packaged into a vesicle inside the cell. The membrane of the vesicle fuses with the cell membrane, and the contents are released into the extracellular space. Figure 3.1.10 – Pancreatic Cells’ Enzyme Products: The pancreatic acinar cells produce and secrete many enzymes that digest food. The tiny black granules in this electron micrograph are secretory vesicles filled with enzymes that will be exported from the cells via exocytosis. LM × 2900. (Micrograph provided by the Regents of University of Michigan Medical School © 2012)

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Diseases of the Cell: Cystic Fibrosis

Cystic fibrosis (CF) affects approximately 30,000 people in the United States, with about 1,000 new cases reported each year. The genetic disease is most well-known for its damage to the lungs, causing breathing difficulties and chronic lung infections, but it also affects the liver, pancreas, and intestines. Only about 50 years ago, the prognosis for children born with CF was very grim—a life expectancy rarely over 10 years. Today, with advances in medical treatment, many CF patients live into their 30s.

The symptoms of CF result from a malfunctioning membrane ion channel called the Cystic Fibrosis Transmembrane Conductance Regulator, or CFTR. In healthy people, the CFTR protein is an integral membrane protein that transports Cl– ions out of the cell. In a person who has CF, the gene for the CFTR is mutated, thus, the cell manufactures a defective channel protein that typically is not incorporated into the membrane, but is instead degraded by the cell.

The CFTR requires ATP in order to function, making its Cl– transport a form of active transport. This puzzled researchers for a long time because the Cl– ions are actually flowing vers le bas their concentration gradient when transported out of cells. Active transport generally pumps ions contre their concentration gradient, but the CFTR presents an exception to this rule.

In normal lung tissue, the movement of Cl– out of the cell maintains a Cl–-rich, negatively charged environment immediately outside of the cell. This is particularly important in the epithelial lining of the respiratory system. Respiratory epithelial cells secrete mucus, which serves to trap dust, bacteria, and other debris. A cilium (plural = cilia) is one of the hair-like appendages found on certain cells. Cilia on the epithelial cells move the mucus and its trapped particles up the airways away from the lungs and toward the outside. In order to be effectively moved upward, the mucus cannot be too viscous, rather, it must have a thin, watery consistency. The transport of Cl– and the maintenance of an electronegative environment outside of the cell attracts positive ions such as Na+ to the extracellular space. The accumulation of both Cl– and Na+ ions in the extracellular space creates solute-rich mucus, which has a low concentration of water molecules. As a result, through osmosis, water moves from cells and extracellular matrix into the mucus, “thinning” it out. In a normal respiratory system, this is how the mucus is kept sufficiently watered-down to be propelled out of the respiratory system.

If the CFTR channel is absent, Cl– ions are not transported out of the cell in adequate numbers, thus preventing them from drawing positive ions. The absence of ions in the secreted mucus results in the lack of a normal water concentration gradient. Thus, there is no osmotic pressure pulling water into the mucus. The resulting mucus is thick and sticky, and the ciliated epithelia cannot effectively remove it from the respiratory system. Passageways in the lungs become blocked with mucus, along with the debris it carries. Bacterial infections occur more easily because bacterial cells are not effectively carried away from the lungs.

Revue de chapitre

The cell membrane provides a barrier around the cell, separating its internal components from the extracellular environment. It is composed of a phospholipid bilayer, with hydrophobic internal lipid “tails” and hydrophilic external phosphate “heads.” Various membrane proteins are scattered throughout the bilayer, both inserted within it and attached to it peripherally. The cell membrane is selectively permeable, allowing only a limited number of materials to diffuse through its lipid bilayer. All materials that cross the membrane do so using passive (non-energy-requiring) or active (energy-requiring) transport processes. During passive transport, materials move by simple diffusion or by facilitated diffusion through the membrane, down their concentration gradient. Water passes through the membrane in a diffusion process called osmosis. During active transport, energy is expended to assist material movement across the membrane in a direction against their concentration gradient. Active transport may take place with the help of protein pumps or through the use of vesicles.

Questions sur les liens interactifs

Visit this link to see diffusion and how it is propelled by the kinetic energy of molecules in solution. How does temperature affect diffusion rate, and why?

Higher temperatures speed up diffusion because molecules have more kinetic energy at higher temperatures.


Afficher/masquer les mots à connaître

Ion: an atom or molecule that does not have the same number of electrons as it has protons. This gives the atom or molecule a negative or positive charge. more

Molécule: une structure chimique qui a deux atomes ou plus maintenus ensemble par une liaison chimique. L'eau est une molécule de deux atomes d'hydrogène et d'un atome d'oxygène (H2O). more

Protein: a type of molecule found in the cells of living things, made up of special building blocks called amino acids.


There are two different types of facilitated diffusion based on the structure of the transmembrane protein present in the plasma membrane –

1) Mediated by Channel Proteins – Span the membrane and create a channel through them to transport molecules or ions in and out of the cell

2) Mediated by Carrier Proteins – Carry the molecules or ions across the membrane by changing their shape after binding

Rép. Facilitated diffusion assists in the transport of large, polar molecules and charged ions across the cell membrane using a helper protein molecule, whereas ordinary diffusion allows free passage to small, non-polar molecules, such as oxygen and carbon dioxide in and out of the cell.

Rép. Facilitated diffusion refers to the diffusion of many different substances, including both solvent and solute molecules across the cell membrane. In contrast, osmosis refers only to the transport of water in and out of the cell.

Rép. Facilitated diffusion of substances requires no energy expenditure, whereas active transport uses cellular energy for transporting substances across the cell membrane.

Rép. The main similarity between facilitated diffusion and active transport is that both require certain carrier protein molecules for carrying out the transport.

Rép. Facilitated diffusion is a passive transport mechanism, whereas the sodium-potassium pump is an active transport mechanism.


Voir la vidéo: 10 Signes Qui Indiquent Que Tes Reins ne Fonctionnent Pas Correctement (Janvier 2022).