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Vidéo de la leçon : Structure des membranes cellulaires Biologie

Dans cette vidéo, nous allons apprendre à décrire la structure et la fonction des membranes et étudier les facteurs qui influent sur la perméabilité des membranes.

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Transcription de vidéo

Dans cette vidéo, nous allons découvrir la structure des membranes plasmiques et leurs fonctions utiles aux cellules et aux organites qu’elles contiennent. Nous découvrirons le modèle de la mosaïque fluide de la bicouche phospholipidique et les rôles des différentes molécules qui peuvent y être intégrées. Enfin, nous allons apprendre comment différents facteurs peuvent affecter la perméabilité des membranes plasmiques.

Chaque organisme vivant possède des cellules qui sont entourées par une membrane plasmique. Ces membranes agissent comme les gardiens de la cellule, contrôlant ce qui peut entrer et ce qui peut sortir de la cellule. Les cellules eucaryotes, comme cette cellule végétale, ont non seulement une membrane plasmique ou une membrane cellulaire autour de leur surface, contrôlant ce qui entre et sort de la cellule, mais également des membranes à l'intérieur de la cellule qui entourent certains organites. Les organites sont des structures subcellulaires qui remplissent une fonction spécifique. Les membranes qui entourent certains organites permettent des conditions différentes et, par conséquent, la production de réactions différentes dans des régions distinctes de la cellule. Cette séparation des composants cellulaires est appelée compartimentation.

Les membranes qui entourent certains organites peuvent être composées d’une seule couche ou de deux couches, appelées double membrane. Les organites qui ont une double membrane comprennent le noyau, les mitochondries et les chloroplastes. Les organites qui ne possèdent qu’une seule membrane comprennent les lysosomes; le réticulum endoplasmique; l’appareil de Golgi, parfois appelé le corps de Golgi; ainsi que les grandes vacuoles présentes dans les cellules végétales.

Les organites membranaires, comme ceux cités, sont contenus dans la plupart des cellules eucaryotes et servent de site à certaines réactions chimiques. Par exemple, le réticulum endoplasmique rugueux possède des ribosomes intégrés à sa membrane pour effectuer la synthèse des protéines. Il est intéressant de noter que les ribosomes peuvent être attachés au réticulum endoplasmique rugueux, ou bien flotter librement dans le cytoplasme. Les ribosomes sont des structures subcellulaires qui ne sont pas délimités par une membrane.

La membrane interne des mitochondries sert de site pour la respiration aérobie, tandis que la membrane interne des chloroplastes est le site de la photosynthèse dans les cellules végétales, ce qui leur permet de fabriquer leur propre nourriture. En fonction de leur emplacement et de leur composition, les membranes peuvent avoir toute une série de fonctions. Mais leur point commun clé est qu'elles servent à séparer une cellule ou différentes parties d'une cellule de leur environnement par le biais de la compartimentation.

La compartimentation des organites dans la cellule est un peu similaire à la séparation des salles de classe dans certaines écoles. Tout comme vous pourriez avoir différentes leçons dans différentes salles de classe à l’école, différentes réactions se produiront dans chaque organite de la cellule. La membrane plasmique sépare ces organites, tout comme les murs de l’école séparent souvent les salles de classe. Les peintures pour le cours d'art ne se trouveraient certainement pas dans la même pièce que le laboratoire de science. Et dans l’idéal, la cellule n’aurait pas les éléments chimiques qui lui permettent de respirer dans le même organite que le lysosome qui traite ses déchets.

Les membranes plasmiques sont souvent décrites comme semi-perméables. Cela signifie qu’elles ne permettent le passage que de certaines molécules, grâce à des protéines intégrées à leur surface. Et parfois, les membranes sont sélectivement perméables. Les membranes à perméabilité sélective ne laissent passer que des substances spécifiques, en fonction des besoins actuels d'une cellule ou d'un organite. Les protéines intégrées dans ces membranes agissent alors comme des portes, qui peuvent être verrouillées ou déverrouillées en fonction des besoins spécifiques. Regardons plus en détail la structure de la membrane plasmique.

Qu’elles entourent les organites ou la cellule elle-même, toutes les membranes plasmiques des cellules vivantes partagent une caractéristique commune. Elles possèdent toutes la structure élémentaire d'une bicouche phospholipidique. Ce schéma montre une cellule animale typique et la membrane plasmique qui l’entoure. Nous pouvons voir que cette membrane plasmique à la surface de la cellule sépare le cytoplasme de l’espace extracellulaire qui l’entoure. En grossissant juste une partie de cette membrane, nous pouvons voir la bicouche de phospholipides plus clairement.

Les membranes plasmiques sont composées principalement de molécules appelées phospholipides, dont l’une est agrandie ici. Chaque phospholipide possède une tête phosphate hydrophile et une queue acide gras hydrophobe. Le préfixe hydro- dans les deux mots fait référence aux molécules d’eau. Le suffixe -phile signifie aimer; ces têtes de phosphate sont donc attirées par l’eau, alors que le suffixe -phobe signifie craindre; ces queues d’acides gras sont donc repoussées par les molécules d’eau. Les phospholipides s'organisent alors en deux couches, ce que l'on appelle une bicouche.

Le cytoplasme et l’espace extracellulaire sont tous deux remplis de molécules d’eau et de sel, formant un environnement aqueux appelé plasma, d’où le nom de membrane plasmique. Comme les têtes de phosphate hydrophiles sont attirées par les molécules d'eau, elles se disposent en pointant vers l'extérieur, à la fois vers l'espace extracellulaire et vers les molécules d'eau du cytoplasme. Comme les queues d’acides gras sont repoussées par les molécules d'eau, elles s'orientent vers l'intérieur, en face l'une de l'autre, loin du cytoplasme et de l'espace extracellulaire. Ces queues d’acides gras peuvent avoir des structures légèrement différentes.

Voici un schéma qui montre un phospholipide avec un acide gras saturé et un acide gras insaturé dans sa queue. Vous avez peut-être remarqué que les acides gras saturés et insaturés diffèrent légèrement dans leur structure. Les acides gras saturés contiennent des liaisons simples entre tous les atomes de carbone. Cela forme une chaîne droite complètement saturée d’atomes hydrogène. Les acides gras insaturés contiennent au moins une double liaison entre les atomes de carbone. Cela forme un coude dans l’acide gras insaturé.

Vous avez peut-être remarqué que cette partie de l'acide gras insaturé contient moins d'hydrogènes mais le même nombre de carbones que l'acide gras saturé. C’est pourquoi on l’appelle insaturé, car il n’est pas complètement saturé d’atomes hydrogène. Ces plis dans les queues des acides gras empêchent les acides gras de s'emboîter aussi étroitement que s’ils avaient deux queues d'acides gras saturés. Cela augmente la fluidité de la membrane plasmique.

Le modèle de la mosaïque fluide décrit comment les phospholipides sont, dans une certaine mesure, libres de se déplacer de manière fluide dans la membrane puisqu’ils ne sont pas liés chimiquement les uns aux autres, mais simplement attirés ou repoussés par les molécules d’eau. Le terme «mosaïque» fait référence au fait qu’il existe des molécules, principalement des protéines de différente forme et taille, qui sont intégrées dans différentes parties de la membrane plasmique, un peu comme les carreaux d’une mosaïque. Vous pouvez voir certaines de ces molécules dans cette figure montrant une vue de haut en bas d’une partie de la membrane plasmique. Mais prenons une vue de côté afin que vous puissiez voir toutes ces molécules plus clairement.

Nous avons changé la couleur des phospholipides de cette figure en noir afin que nous puissions mieux les distinguer des autres molécules intégrées dans la bicouche phospholipidique. Il existe différentes protéines qui s’intègrent dans cette bicouche de phospholipides. L'un de ces types de protéines est appelé protéine intrinsèque, ou parfois protéine intégrale ou transmembranaire, et s’étend sur les deux couches de la bicouche phospholipidique. Toutes les protéines intrinsèques sont des protéines globulaires avec des régions hydrophobes qui s’insèrent dans la membrane. Les protéines intrinsèques doivent avoir des régions hydrophobes, puisque rappelez-vous, les queues d’acides gras des phospholipides sont également hydrophobes.

Il existe deux types principaux de protéines intrinsèques: les canaux ioniques et les transporteurs membranaires. Les canaux ioniques possèdent un canal hydrophile, qui permet la diffusion de molécules polaires et d’ions chargés à travers la membrane plasmique dans le sens ou le long de leur gradient de concentration. Ces substances, comme par exemple cet ion sodium chargé positivement, ne pourraient autrement pas être transportées à travers la membrane à cause de la nature hydrophobe des queues de phospholipides. Heureusement, les protéines-canaux leur fournissent un canal hydrophile qui traverse cette région hydrophobe, leur permettant de se déplacer passivement par diffusion d’une zone de forte concentration vers une zone de faible concentration.

Les protéines de transport contiennent des récepteurs de forme spécifique qui sont complémentaires à la forme d’une molécule particulière. Par exemple, supposons que cette molécule de glucose doit être transportée de l’espace extracellulaire à l’extérieur de la cellule au cytoplasme en passant par la membrane. Cependant, le glucose est plus concentré dans le cytoplasme de la cellule que dans l’espace extracellulaire. Heureusement, il existe un transporteur membranaire complémentaire à la forme du glucose. En raison de la forme spécifique du récepteur dans la protéine transporteuse, celle-ci ne laisse entrer que le glucose. Le glucose peut être considéré comme la seule molécule qui possède une clé pour la porte spécifique de la protéine.

Lorsque le glucose se lie au récepteur du transporteur membranaire, la protéine change de forme et libère du glucose de l’autre côté de la membrane. Dans ce cas, la concentration de glucose est plus élevée à l'intérieur de la cellule qu'à l'extérieur. Il doit donc être activement transporté dans la cellule via la protéine de transport. Le transport actif nécessite un apport d’énergie, qui est fourni par une molécule appelée ATP, afin de transporter les molécules dans le sens inverse ou contre leur gradient de concentration. Il est toutefois intéressant de noter que la plupart des transporteurs membranaires sont également capables d'effectuer un transport passif, en déplaçant les molécules d'une zone de forte concentration vers une zone de faible concentration. Ce processus ne nécessite pas d’ATP.

Les glycoprotéines sont un autre exemple de protéine intrinsèque, ce qui signifie qu’elle couvre toute la bicouche de la membrane. Le préfixe glyco- indique que cette protéine est attachée à une chaîne glucidique. Les glycoprotéines servent principalement pour deux choses, dont l’une est d’aider les cellules à adhérer les unes aux autres et à rester ensemble. Les glycoprotéines peuvent également agir comme des récepteurs. Le rôle général d’un récepteur est de se lier à un élément chimique spécifique, tel qu’une hormone, pour obtenir une réponse cellulaire. C’est ce qu’on appelle la signalisation cellulaire et permet aux cellules de communiquer efficacement entre elles.

Voici un glycolipide. Vous avez peut-être remarqué qu’il contient également le préfixe glyco-, il s’agit donc d’une chaîne glucidique liée à l’un des phospholipides de la bicouche. Ils sont parfois appelés antigènes ou marqueurs cellulaires, car ils sont utilisés par le système immunitaire dans la reconnaissance cellulaire pour identifier une cellule comme étant du non-soi ou du soi. Un antigène qui marque une cellule du non-soi signale qu’il est attaché à des cellules d’un autre organisme, qui pourrait être un pathogène dangereux.

Un exemple de glycolipides dans les cellules humaines est le groupement sanguin ABO. Les glycolipides qui se trouvent sur la membrane cellulaire des globules rouges, comme celui-ci, agissent comme des antigènes. Ces antigènes sont spécifiques à l’un des quatre groupes sanguins: A, B, AB et O. Par exemple, ces glycolipides verts pourraient indiquer que cette personne a le groupe sanguin A.

Les protéines extrinsèques, parfois appelées protéines périphériques, ne traversent pas toute l’épaisseur de la membrane, contrairement aux protéines intrinsèques. Au lieu de cela, elles sont intégrées d’un seul côté de la membrane, interagissant avec la tête phosphate d’un phospholipide, sur la surface interne ou externe de la bicouche phospholipidique. Elles peuvent également interagir avec des protéines intrinsèques. Les protéines extrinsèques peuvent parfois agir comme des récepteurs ou peuvent favoriser la stabilité de la membrane.

La structure finale dont nous allons discuter est le cholestérol, illustré ici en bleu. Le cholestérol est un lipide abondant de la membrane des cellules animales. Il possède une tête hydrophile qui peut interagir avec les groupes phosphate hydrophiles des phospholipides et avec le cytoplasme ou l’espace extracellulaire, qui souvenez-vous sont des environnements aqueux. Il possède une queue hydrophobe volumineuse, qui peut interagir avec les queues d’acides gras également hydrophobes des phospholipides. Grâce à ces interactions qui modulent la compaction des phospholipides dans la membrane, le cholestérol peut augmenter ou diminuer la fluidité des membranes à différentes températures. Voyons cela maintenant.

La température a un impact significatif sur la fluidité des membranes plasmiques. À basse température, les phospholipides ont tendance à moins bouger et à s’organiser plus étroitement dans une structure qui fait penser à un cristal. Par conséquent, les basses températures rendent les membranes plus rigides, ce qui peut interférer avec des fonctions clés telles que le passage des gaz. Une membrane plus rigide est également plus susceptible de se rompre. Le cholestérol limite les dégâts engendrés par ce phénomène en perturbant l’organisation serrée et régulière des phospholipides avec cette queue volumineuse, augmentant ainsi la fluidité de la membrane. Les membranes sont de ce fait moins rigides à basse température et moins sujettes à la rupture.

À une température plus élevée, les phospholipides de la bicouche reçoivent une plus grande quantité de chaleur ou d'énergie thermique. Cela augmente l’énergie cinétique des phospholipides, ce qui signifie qu’ils se déplacent plus rapidement. La fluidité de la membrane augmente alors considérablement. Si la membrane est plus fluide, sa perméabilité augmente car il y a beaucoup plus d’espaces à travers lesquels les substances peuvent passer.

L’autre problème est que les protéines incorporées peuvent se dénaturer, c’est-à-dire changer de forme de manière irréversible lorsque la température dépasse leur niveau optimal. Il est alors possible qu’elles ne soient plus en mesure de jouer leur rôle de transport. Cependant, lorsque du cholestérol est présent dans la membrane à des températures plus élevées, la queue du cholestérol maintient de fortes interactions avec les phospholipides qui l’entourent, ce qui les rapproche et réduit la fluidité de la membrane. Ainsi, le cholestérol peut agir efficacement comme un tampon qui maintient une fluidité stable de la membrane sur une large gamme de températures.

Les solvants organiques peuvent également avoir un effet significatif sur les membranes cellulaires. Vous vous souvenez peut-être que les queues d’acides gras d’un phospholipide sont hydrophobes. Cela signifie également qu’elles sont non polaires. Lorsque des solvants non polaires ou des solvants organiques comme l’éthanol, qui sont moins polaires que l’eau, rentrent en contact avec la bicouche phospholipidique, ils interagissent avec les queues d’acides gras hydrophobes, ce qui peut perturber et désorganiser la membrane et la rendre plus perméable aux autres substances. Par exemple, les lingettes antiseptiques ou à l’alcool perturbent les membranes des cellules bactériennes, éliminant les bactéries.

Certaines techniques peuvent être utilisées pour évaluer la perméabilité des membranes. La colorimétrie, par exemple, est une technique qui mesure la concentration de composés colorés ou de pigments dans une solution. Voyons comment elle fonctionne en testant deux solutions différentes: une remplie uniquement d’eau distillée et une autre qui contenait un échantillon de betterave rouge pendant 30 minutes. La colorimétrie est particulièrement utile lorsque les cellules expérimentales contiennent un pigment très concentré.

Les cellules de betterave, comme celle que nous voyons ici, ont une grande vacuole qui contient beaucoup de bétalaïne, un pigment rouge qui leur donne leur couleur rouge foncé caractéristique. Et ils sont souvent utilisés en colorimétrie. Lorsqu'un morceau de betterave est placé dans une solution d'eau, une partie des pigments rouges s'échappent des cellules de la betterave à travers leur membrane et passent dans la solution. Plus la surface de la membrane cellulaire est perméable, plus le pigment fuit. Au bout de 30 minutes, l’échantillon de betterave rouge peut être retiré et la solution est placée dans un flacon appelé cuvette.

Chacune de ces cuvettes peut être placée individuellement dans un appareil appelé colorimètre. Le colorimètre fait passer la lumière à travers la solution qui y est placée et mesure le pourcentage de lumière qui est transmise à travers le pigment et captée par un détecteur. Le colorimètre peut alors déterminer la quantité de lumière absorbée par le pigment lui-même, qui s’affiche sur l’écran du colorimètre. Si toute la lumière passe à travers l'échantillon, comme ce serait probablement le cas pour l'eau distillée, alors les pigments ou les composés de la solution n’ont absorbés aucune lumière. Ainsi, dans ce cas, l’absorbance serait de zéro pour cent et la transmission serait de 100 pour cent.

Cependant, avec notre échantillon de betterave, les pigments de bétalaïne qu’elle contient absorberaient une partie de la lumière passant à travers la solution. Ainsi, la transmission détectée par le détecteur serait beaucoup plus faible, et l’absorbance calculée serait beaucoup plus élevée. Des filtres placés sur le trajet de la lumière améliorent la précision des mesures en sélectionnant uniquement la longueur d’onde de la lumière qui est absorbée par les pigments de l’échantillon. Si nous modifions les conditions de notre échantillon, par exemple en changeant la température ou en ajoutant un solvant, alors toute augmentation de l'absorbance que nous mesurons représentera une augmentation de la perméabilité de la membrane causée par ces facteurs, car davantage de pigments seront transférés des cellules vers la solution.

Passons en revue les points clés que nous avons abordés dans cette vidéo. Nous avons appris certaines des fonctions des membranes plasmiques. Nous avons vu le modèle de la mosaïque fluide qui décrit la composition des membranes plasmiques, et comment la température et les solvants organiques peuvent affecter la fluidité et la perméabilité de la membrane. Enfin, nous avons appris comment la colorimétrie peut mesurer la perméabilité de la membrane.

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