La cellule est une unité structurelle de toute vie sur notre planète et un système ouvert. Cela signifie que sa vie nécessite un échange constant de matière et d'énergie avec l'environnement. Cet échange s'effectue à travers la membrane - la frontière principale de la cellule, qui est conçue pour préserver son intégrité. C'est à travers la membrane que s'effectue le métabolisme cellulaire et il va soit le long du gradient de concentration d'une substance, soit contre lui. Le transport actif à travers la membrane cytoplasmique est un processus complexe et énergivore.
Membrane - barrière et passerelle
La membrane cytoplasmique fait partie de nombreux organites cellulaires, plastides et inclusions. La science moderne est basée sur le modèle de mosaïque fluide de la structure membranaire. Le transport actif de substances à travers la membrane est possible grâce à sabâtiment spécifique. La base des membranes est formée par une bicouche lipidique - principalement des phospholipides disposés en fonction de leurs propriétés hydrophiles-hydrophobes. Les principales propriétés de la bicouche lipidique sont la fluidité (capacité à intégrer et à perdre des sites), l'auto-assemblage et l'asymétrie. Le deuxième composant des membranes est constitué de protéines. Leurs fonctions sont diverses: transport actif, réception, fermentation, reconnaissance.
Les protéines sont situées à la fois à la surface des membranes et à l'intérieur, et certaines d'entre elles y pénètrent plusieurs fois. La propriété des protéines dans une membrane est la capacité de se déplacer d'un côté à l'autre de la membrane (saut « flip-flop »). Et le dernier composant est les chaînes saccharidiques et polysaccharidiques des glucides à la surface des membranes. Leurs fonctions sont encore controversées aujourd'hui.
Types de transport actif de substances à travers la membrane
Actif sera un tel transfert de substances à travers la membrane cellulaire, qui est contrôlé, se produit avec des coûts énergétiques et va à l'encontre du gradient de concentration (les substances sont transférées d'une zone de faible concentration vers une zone de haute concentration). Selon la source d'énergie utilisée, on distingue les modes de transport suivants:
- Actif primaire (source d'énergie - hydrolyse de l'acide adénosine triphosphorique ATP en acide adénosine diphosphorique ADP).
- Actif secondaire (fourni avec de l'énergie secondaire créée à la suite des mécanismes de transport actif primaire de substances).
Protéines-assistants
Dans les deux cas, le transport est impossible sans protéines porteuses. Ces protéines de transport sont très spécifiques et sont conçues pour transporter certaines molécules, voire parfois certains types de molécules. Cela a été prouvé expérimentalement sur des gènes bactériens mutés, ce qui a conduit à l'impossibilité d'un transport actif à travers la membrane d'un certain glucide. Les protéines de transport transmembranaire peuvent être des auto-transporteurs (elles interagissent avec les molécules et les transportent directement à travers la membrane) ou former des canaux (former des pores dans les membranes ouvertes à des substances spécifiques).
Pompe à sodium et potassium
L'exemple le plus étudié du transport actif primaire de substances à travers la membrane est la pompe Na+ -, K+. Ce mécanisme assure la différence des concentrations d'ions Na+ et K+ des deux côtés de la membrane, ce qui est nécessaire pour maintenir la pression osmotique dans la cellule et d'autres processus métaboliques. La protéine porteuse transmembranaire, l'ATPase sodium-potassium, se compose de trois parties:
- Sur la face externe de la membrane protéique se trouvent deux récepteurs pour les ions potassium.
- Il y a trois récepteurs d'ions sodium à l'intérieur de la membrane.
- La partie interne de la protéine a une activité ATP.
Lorsque deux ions potassium et trois ions sodium se lient aux récepteurs protéiques de chaque côté de la membrane, l'activité ATP est activée. La molécule d'ATP est hydrolysée en ADP avec libération d'énergie, qui est dépensée pour le transport des ions potassiumà l'intérieur et les ions sodium à l'extérieur de la membrane cytoplasmique. On estime que l'efficacité d'une telle pompe est supérieure à 90 %, ce qui en soi est assez étonnant.
Pour référence: L'efficacité d'un moteur à combustion interne est d'environ 40 %, électrique - jusqu'à 80 %. Fait intéressant, la pompe peut également fonctionner dans la direction opposée et servir de donneur de phosphate pour la synthèse d'ATP. Pour certaines cellules (par exemple, les neurones), jusqu'à 70 % de toute l'énergie est dépensée pour éliminer le sodium de la cellule et y pomper des ions potassium. Les pompes pour le calcium, le chlore, l'hydrogène et certains autres cations (ions à charge positive) fonctionnent sur le même principe de transport actif. Aucune pompe de ce type n'a été trouvée pour les anions (ions chargés négativement).
Cotransport de glucides et d'acides aminés
Un exemple de transport actif secondaire est le transfert de glucose, d'acides aminés, d'iode, de fer et d'acide urique dans les cellules. Du fait du fonctionnement de la pompe potassium-sodium, un gradient de concentration en sodium se crée: la concentration est élevée à l'extérieur, et faible à l'intérieur (parfois 10 à 20 fois). Le sodium a tendance à diffuser dans la cellule et l'énergie de cette diffusion peut être utilisée pour transporter des substances vers l'extérieur. Ce mécanisme est appelé cotransport ou transport actif couplé. Dans ce cas, la protéine porteuse a deux centres récepteurs à l'extérieur: un pour le sodium et l'autre pour l'élément transporté. Ce n'est qu'après l'activation des deux récepteurs que la protéine subit des changements conformationnels et que l'énergie de diffusionle sodium introduit la substance transportée dans la cellule contre le gradient de concentration.
La valeur du transport actif pour la cellule
Si la diffusion habituelle des substances à travers la membrane se poursuivait pendant une durée arbitrairement longue, leurs concentrations à l'extérieur et à l'intérieur de la cellule s'égaliseraient. Et c'est la mort pour les cellules. Après tout, tous les processus biochimiques doivent se dérouler dans un environnement de différence de potentiel électrique. Sans transport actif, contre un gradient de concentration, de substances, les neurones ne seraient pas capables de transmettre un influx nerveux. Et les cellules musculaires perdraient la capacité de se contracter. La cellule ne serait pas en mesure de maintenir la pression osmotique et s'effondrerait. Et les produits du métabolisme ne seraient pas mis en évidence. Et les hormones ne pénétreraient jamais dans le sang. Après tout, même une amibe dépense de l'énergie et crée une différence de potentiel sur sa membrane en utilisant les mêmes pompes ioniques.
