La membrane cellulaire - également appelée membrane plasmique ou membrane cytoplasmique - est l'une des constructions les plus fascinantes et les plus élégantes du monde de la biologie. La cellule est considérée comme l'unité fondamentale ou « bloc de construction » de tous les êtres vivants sur Terre; votre propre corps en contient des milliards, et différentes cellules dans différents organes et tissus ont différentes structures qui sont en corrélation exquise avec les fonctions des tissus constitués de ces cellules.
Alors que les noyaux des cellules attirent souvent le plus l'attention car ils contiennent le matériel génétique nécessaire à la transmission informations aux générations suivantes de l'organisme, la membrane cellulaire est le gardien et le gardien littéral de la cellule Contenu. Loin d'être un simple conteneur ou une barrière, cependant, la membrane a évolué pour maintenir l'équilibre cellulaire, ou l'équilibre interne, grâce à un transport efficace et infatigable. mécanismes qui font de la membrane une sorte de douanier microscopique, permettant et interdisant l'entrée et la sortie d'ions et de molécules en fonction du temps réel de la cellule Besoins.
Membranes cellulaires à travers le spectre de la vie
Tous les organismes ont des membranes cellulaires d'une certaine sorte. Cela inclut les procaryotes, qui sont principalement des bactéries et sont censés représenter certaines des espèces vivantes les plus anciennes sur Terre, ainsi que les eucaryotes, qui comprennent des animaux et des plantes. Les bactéries procaryotes et les plantes eucaryotes ont une paroi cellulaire externe à la membrane cellulaire pour une protection supplémentaire; chez les plantes, cette paroi a des pores, et ils ne sont pas particulièrement sélectifs en termes de ce qui peut passer et de ce qui ne peut pas. De plus, les eucaryotes possèdent des organites, tels que le noyau et les mitochondries, entourés de membranes comme celle entourant la cellule dans son ensemble. Les procaryotes n'ont même pas de noyaux; leur matériel génétique est dispersé, quoique assez étroitement, dans tout le cytoplasme.
Des preuves moléculaires considérables suggèrent que les cellules eucaryotes descendent des cellules procaryotes, perdant la paroi cellulaire à un moment donné de leur évolution. Bien que cela rende les cellules individuelles plus vulnérables aux agressions, cela leur permet également de devenir plus complexes et de s'étendre géométriquement au cours du processus. En fait, les cellules eucaryotes peuvent être dix fois plus grandes que les cellules procaryotes, une découverte d'autant plus frappante qu'une seule cellule est par définition l'intégralité d'un organisme procaryote. (Certains eucaryotes sont également unicellulaires.)
Structure de la membrane cellulaire
La membrane cellulaire est constituée d'une structure à double couche (parfois appelée « modèle de mosaïque fluide ») composée principalement de phospholipides. L'une de ces couches fait face à l'intérieur de la cellule, ou cytoplasme, tandis que l'autre fait face à l'environnement externe. Les côtés tournés vers l'extérieur et vers l'intérieur sont considérés comme « hydrophiles » ou attirés par les environnements aqueux; la partie interne est "hydrophobe", ou repoussée par les environnements aqueux. Isolées, les membranes cellulaires sont fluides à la température du corps, mais à des températures plus froides, elles prennent une consistance gélatineuse.
Les lipides de la bicouche représentent environ la moitié de la masse totale de la membrane cellulaire. Le cholestérol représente environ un cinquième des lipides dans les cellules animales, mais pas dans les cellules végétales, car le cholestérol ne se trouve nulle part dans les plantes. La majeure partie du reste de la membrane est représentée par des protéines ayant une grande variété de fonctions. Comme la plupart des protéines sont des molécules polaires, comme la membrane elle-même, leurs extrémités hydrophiles font saillie vers l'extérieur de la cellule et leurs extrémités hydrophobes pointent vers l'intérieur de la bicouche.
Certaines de ces protéines ont des chaînes glucidiques qui leur sont attachées, ce qui en fait des glycoprotéines. De nombreuses protéines membranaires sont impliquées dans le transport sélectif de substances à travers la bicouche, qu'elles peut le faire soit en créant des canaux protéiques à travers la membrane, soit en les faisant physiquement traverser la membrane. D'autres protéines fonctionnent comme des récepteurs à la surface des cellules, fournissant des sites de liaison pour les molécules porteuses de signaux chimiques; ces protéines transmettent ensuite cette information à l'intérieur de la cellule. D'autres protéines membranaires encore agissent comme des enzymes catalysant des réactions particulières à la membrane plasmique elle-même.
Fonctions de la membrane cellulaire
L'aspect critique de la membrane cellulaire n'est pas qu'elle soit « étanche » ou imperméable aux substances en général; si c'était l'un ou l'autre, la cellule mourrait. La clé pour comprendre le travail principal de la membrane cellulaire est qu'elle est sélectivement perméable. Une analogie: tout comme la plupart des nations sur Terre n'interdisent pas complètement aux gens de voyager à travers le frontières internationales de la nation, les pays du monde entier n'ont pas l'habitude de laisser quiconque et tout le monde entre. Les membranes cellulaires tentent de faire ce que font les gouvernements de ces pays, à une échelle beaucoup plus petite: permettre aux entités désirables d'entrer dans la cellule après avoir été "vérifié" tout en interdisant l'entrée à des entités susceptibles de s'avérer toxiques ou destructrices pour l'intérieur ou la cellule en tant que ensemble.
Dans l'ensemble, la membrane agit comme une frontière formelle, maintenant les différentes parties de la cellule ensemble de la même manière. façon dont une clôture autour d'une ferme maintient le bétail ensemble tout en leur permettant d'errer et de se mêler. Si vous deviez deviner quels types de molécules sont autorisés à entrer et à sortir le plus facilement, vous pourriez dire respectivement « sources de combustible » et « déchets métaboliques », étant donné que c'est essentiellement ce que les corps dans leur ensemble fais. Et tu aurais raison. De très petites molécules, telles que l'oxygène gazeux (O2), le dioxyde de carbone gazeux (CO2) et de l'eau (H2O), peut traverser librement la membrane, mais le passage de molécules plus grosses, telles que les acides aminés et les sucres, est étroitement contrôlé.
La bicouche lipidique
Les molécules qui sont presque universellement appelées « phospholipides » qui composent la bicouche de la membrane cellulaire sont plus correctement appelées « glycérophospholipides ». Ils sont constitués d'une molécule de glycérol, qui est un alcool à trois carbones, attaché à deux acides gras longs d'un côté et à un groupe phosphate de l'autre. Cela donne à la molécule une forme longue et cylindrique qui convient bien au travail de faire partie d'une large feuille, ce à quoi ressemble une seule couche de la bicouche membranaire en coupe transversale.
La partie phosphate du glycérophospholipide est hydrophile. Le type spécifique de groupe phosphate varie d'une molécule à l'autre; par exemple, il peut s'agir de la phosphatidylcholine, qui comprend un composant contenant de l'azote. Il est hydrophile car il a une répartition inégale de la charge (c'est-à-dire qu'il est polaire), tout comme l'eau, de sorte que les deux "s'entendent" dans des quartiers microscopiques proches.
Les acides gras à l'intérieur de la membrane n'ont pas de répartition de charge inégale dans leur structure, ils sont donc non polaires et donc hydrophobes.
En raison des propriétés électrochimiques des phospholipides, l'agencement de la bicouche de phospholipides ne nécessite aucun apport d'énergie pour créer ou maintenir. En fait, les phospholipides placés dans l'eau ont tendance à prendre spontanément la configuration bicouche de la même manière que les fluides "cherchent leur propre niveau".
Transport membranaire cellulaire
Parce que la membrane cellulaire est sélectivement perméable, elle doit fournir un moyen d'obtenir une variété de substances, certaines grandes et certaines petites, d'un côté à l'autre. Pensez aux façons dont vous pourriez traverser une rivière ou un plan d'eau. Vous pouvez prendre un ferry; vous pouvez simplement dériver sur une brise légère, ou vous pouvez être emporté par des courants fluviaux ou océaniques constants. Et il se peut que vous vous retrouviez à traverser le plan d'eau en premier lieu parce qu'il y a une trop haute concentration de personnes de votre côté et une concentration trop faible de l'autre, présentant un besoin de même les choses dehors.
Chacun de ces scénarios a une relation avec l'une ou plusieurs des manières dont les molécules peuvent traverser la membrane cellulaire. Ces moyens comprennent :
Diffusion simple: Dans ce processus, les molécules dérivent simplement à travers la double membrane pour entrer ou sortir de la cellule. La clé ici est que les molécules dans la plupart des situations descendront un gradient de concentration, ce qui signifie qu'elles dérivent naturellement des zones de concentration plus élevée vers les zones de concentration plus faible. Si vous deviez verser un pot de peinture au milieu d'une piscine, le mouvement vers l'extérieur des molécules de peinture représenterait une forme de diffusion simple. Les molécules qui peuvent traverser les membranes cellulaires de cette manière, comme vous pouvez le prévoir, sont de petites molécules telles que O2 et Cie2.
Osmose: L'osmose peut être décrite comme une "pression d'aspiration" qui provoque le mouvement de l'eau lorsque le mouvement des particules dissoutes dans l'eau est impossible. Cela se produit lorsqu'une membrane permet à l'eau, mais pas aux particules dissoutes (« solutés ») en question, de la traverser. La force motrice est à nouveau un gradient de concentration, car l'ensemble de l'environnement local « cherche » un état d'équilibre dans lequel la quantité de soluté par unité d'eau est la même partout. S'il y a plus de particules de soluté d'un côté d'une membrane perméable à l'eau et imperméable aux solutés que de l'autre, l'eau s'écoulera vers la zone de concentration de soluté la plus élevée. C'est-à-dire que si les particules ne peuvent pas changer leur concentration dans l'eau en se déplaçant, alors l'eau elle-même se déplacera pour accomplir plus ou moins le même travail.
Diffusion facilitée: Encore une fois, ce type de transport membranaire voit les particules se déplacer des zones de concentration plus élevée vers des zones de concentration plus faible. Contrairement au cas de la diffusion simple, cependant, les molécules entrent ou sortent de la cellule via canaux protéiques spécialisés, plutôt que de simplement dériver à travers les espaces entre les glycérophospholipides molécules. Si vous avez déjà regardé ce qui se passe quand quelque chose qui dérive dans une rivière se retrouve soudainement dans un passage entre les rochers, vous savez que l'objet (peut-être un ami sur une chambre à air !) accélère considérablement tandis que dans ce passage; il en est de même des canaux protéiques. Ceci est le plus courant avec les molécules polaires ou chargées électriquement.
Transport actif: Les types de transport membranaire discutés précédemment impliquent tous un mouvement vers le bas d'un gradient de concentration. Parfois, cependant, tout comme les bateaux doivent se déplacer en amont et les voitures doivent gravir des collines, la plupart des substances se déplacent contre un gradient de concentration - une situation énergétiquement défavorable. En conséquence, le processus doit être alimenté par une source extérieure, et dans ce cas, cette source est l'adénosine triphosphate (ATP), ce carburant répandu pour les transactions biologiques microscopiques. Dans ce processus, l'un des trois groupes phosphate est retiré de l'ATP pour créer de l'adénosine diphosphate (ADP) et un phosphate libre, et l'énergie libérée par l'hydrolyse de la liaison phosphate-phosphate est utilisée pour « pomper » les molécules le long du gradient et à travers le membrane.
Le transport actif peut également se produire de manière indirecte ou secondaire. Par exemple, une pompe à membrane peut déplacer le sodium à travers son gradient de concentration d'un côté de la membrane à l'autre, hors de la cellule. Lorsque l'ion sodium rediffuse dans l'autre sens, il peut emporter avec lui une molécule de glucose contre cette gradient de concentration de la molécule (la concentration de glucose est généralement plus élevée à l'intérieur des cellules que sur le dehors). Étant donné que le mouvement du glucose se fait contre son gradient de concentration, il s'agit d'un transport actif, mais comme aucun ATP n'est directement impliqué, il s'agit d'un exemple de secondaire transport actif.
