Protéines porteuses

Définition des protéines porteuses

Lescomposés organiques sont essentiellement des composés chimiques qui contiennent des liaisons de carbone. Le carbone est essentiel à la vie, car il forme rapidement des liaisons avec d'autres molécules et composants, ce qui permet à la vie de se développer facilement. Les protéines sont un autre type de composé organique, comme les hydrates de carbone, mais leurs fonctions principales consistent à agir comme anticorps pour protéger notre système immunitaire, comme enzymes pour accélérer les réactions chimiques, etc.

Voyons maintenant la définition des protéines porteuses.

La perméabilité sélective de la membrane cellulaire est la raison pour laquelle les protéines porteuses sont nécessaires. Les protéines porteuses permettent aux molécules polaires et aux ions qui ne peuvent pas facilement traverser la membrane cellulaire d'entrer et de sortir de la cellule.

En raison de la structure de la membrane cellulaire, les molécules polaires et les ions ne peuvent pas entrer facilement dans la cellule. La membrane cellulaire est composée de phospholipides disposés en deux couches, ce qui en fait une bicouche phospholipidique.

Lesphospholipides sont un type de lipides. Les lipides sont des composés organiques contenant des acides gras et sont insolubles dans l'eau. Une molécule de phospholipide se compose d'une tête hydrophile ou aimant l'eau, représentée en blanc sur la figure 1, et de deux queues hydrophobes, représentées en jaune.

Les queues hydrophobes et la tête hydrophile font des phospholipides des molécules amphipathiques. Une molécule amphipathique est une molécule qui possède à la fois des parties hydrophobes et hydrophiles.

Les molécules polaires et ioniques ont plus de mal à passer parce qu'elles aiment l'eau ou sont hydrophiles, et que la structure de la membrane cellulaire fait que les têtes hydrophiles sont tournées vers l'extérieur et les queues hydrophobes vers l'intérieur.

Cela signifie que les petites molécules non polaires ou hydrophobes n'ont pas besoin de protéines porteuses pour les aider à entrer et à sortir de la cellule.

Les liposomes et les micelles sont d'autres façons dont les phospholipides peuvent s'organiser en dehors de la bicouche phospholipidique. Les liposomes sont des sacs sphériques composés de phospholipides, généralement formés pour transporter des nutriments ou des substances dans la cellule. Les liposomes peuvent être utilisés artificiellement pour administrer des médicaments dans notre corps, comme l'illustre la figure 2.

Les micelles sont un ensemble de molécules formant un mélange colloïdal, comme l'illustre la figure 1. Les particules colloïdales sont des particules dans lesquelles une substance est suspendue dans une autre en raison de son incapacité à se dissoudre.

Figure 1 : différentes structures de phospholipides représentées. Wikimedia, LadyofHats.

Figure 2 : Liposome utilisé pour l'administration de médicaments. Wikimedia, Kosigrim.

Fonction des protéines porteuses

Lesprotéines porteuses fonctionnent en changeant de forme. Ce changement de forme permet aux molécules et aux substances de traverser la membrane cellulaire. Les protéines porteuses s'attachent ou se lient à des molécules ou des ions spécifiques et les transportent à travers la membrane à l'intérieur et à l'extérieur des cellules.

Les protéines porteuses participent aux modes de transport actif et passif.

• Dans le transport passif, les substances diffusent d'une concentration élevée à une concentration faible. Le transport passif se produit en raison du gradient de concentration créé par la différence de concentrations dans deux zones.

N'oublie pas qu'il existe d'autres types de protéines que les protéines de transport. Cependant, nous nous concentrons ici sur les protéines porteuses qui relèvent du transport, car leur rôle est de faciliter la diffusion des molécules.

Lesprotéines membranaires se trouvent soit intégrées, soit à la périphérie de la bicouche phospholipidique. Les protéines membranaires ont de nombreuses fonctions, mais certaines d'entre elles sont des protéines porteuses qui permettent le transport à l'intérieur et à l'extérieur de la cellule. Les protéines porteuses sont considérées comme des protéines de transport membranaire.

Quant au mode de transport actif, nous en parlerons plus en détail dans la prochaine section.

Protéines porteuses Transport actif

Les protéines porteuses participent également au transport actif.

Les moyens de transport actifs et passifs impliquent tous deux que les protéines porteuses changent de forme lorsqu'elles déplacent les molécules d'un côté à l'autre de la cellule. La différence est que le transport actif nécessite de l'énergie chimique sous forme d'ATP. L'ATP, ou phosphate d'adénosine, est une molécule qui fournit aux cellules une forme d'énergie utilisable.

L'un des exemples les plus célèbres de transport actif utilisant des protéines porteuses est la pompe sodium-potassium.

Les étapes générales de la pompe sodium-potassium sont les suivantes et sont illustrées dans la figure 3 :

1. Trois ions sodium se lient à une protéine porteuse.

2. L'ATP est hydrolysé en ADP, ce qui libère un groupe phosphate. Ce groupe phosphate s'attache à la pompe et est utilisé pour fournir l'énergie nécessaire au changement de forme de la protéine porteuse.

3. La pompe ou la protéine porteuse subit un changement de conformation ou de forme et permet aux ions sodium \((Na^+)\) de traverser la membrane et de sortir de la cellule.

4. Ce changement de conformation permet à deux ions potassium \((K^+)\) de se lier à la protéine porteuse.

5. Le groupe phosphate est libéré de la pompe, ce qui permet à la protéine porteuse de reprendre sa forme initiale.

6. Ce changement de forme originale permet aux deux \((K^+)\) de potassium de traverser la membrane et de pénétrer dans la cellule.

Figure 3 : Illustration de la pompe sodium-potassium. Wikimedia, LadyofHats.

Protéines de transport et protéines de canal

Les protéines de canal sont un autre type de protéine de transport. Elles agissent comme les pores de la peau, sauf dans la membrane cellulaire. Elles agissent comme des canaux, d'où leur nom, et peuvent laisser passer de petits ions. Les protéines de canal sont également des protéines membranaires qui sont positionnées de façon permanente dans la membrane, ce qui en fait des protéines membranaires intégrales.

Contrairement aux protéines porteuses, les protéines canaux restent ouvertes vers l'extérieur et à l'intérieur de la cellule, comme le montre la figure 4.

Le taux de transport des protéines de canal est beaucoup plus rapide que celui des protéines porteuses. En effet, les protéines porteuses ne restent pas ouvertes et doivent subir des changements de conformation.

Les protéines de canal s'occupent également du transport passif, tandis que les protéines porteuses s'occupent à la fois du transport passif et du transport actif. Les protéines de canal sont très sélectives et n'acceptent souvent qu'un seul type de molécule. Les protéines de canal autres que l'aquaporine comprennent les ions de chlorure, de calcium, de potassium et de sodium.

Dans l'ensemble, les protéines de transport s'occupent soit 1) de grosses molécules hydrophobes, soit 2) d'ions ou de molécules hydrophiles de petite ou grande taille. La diffusion non facilitée, ou diffusion simple, ne se produit que pour les molécules hydrophobes suffisamment petites.

Un exemple de diffusion simple, mais vitale, qui se produit fréquemment dans notre corps est la diffusion ou le déplacement de l'oxygène dans les cellules et les tissus. Si la diffusion de l'oxygène ne se faisait pas rapidement et passivement, nous serions très probablement privés d'oxygène, ce qui pourrait entraîner des convulsions, des comas ou d'autres effets potentiellement mortels.

Figure 4 : Canal protéique (à gauche) comparé aux protéines porteuses (à droite). Wikimedia, LadyofHats.

Exemple de protéine porteuse

Les protéines porteuses peuvent être classées en fonction de la molécule qu'elles transportent à l'intérieur et à l'extérieur de la cellule. La diffusion facilitée pour les protéines porteuses implique généralement des sucres ou des acides aminés.

Les protéines porteuses effectuent également des transports actifs. Nous pouvons classer les transports actifs en fonction de la source d'énergie utilisée : chimique ou ATP, photonique ou électrochimique. Les potentiels électrochimiques peuvent entraîner la diffusion de substances grâce à la différence de concentration à l'intérieur et à l'extérieur de la cellule et aux charges des molécules impliquées.

Par exemple, si nous nous référons à la pompe sodium-potassium, les deux molécules impliquées sont les ions potassium et sodium. La différence entre les concentrations de ces deux ions à l'intérieur et à l'extérieur de la cellule crée un potentiel membranaire qui entraîne l'influx nerveux. D'autre part, un photon fait référence aux particules de lumière, nous pouvons donc également appeler ce type de transport piloté par la lumière, que l'on peut trouver dans les bactéries.

Les bactéries sont des organismes unicellulaires qui ne possèdent pas de structures liées à une membrane.

Les exemples les plus courants de protéines porteuses sont :

• Letransport piloté par l'ATP peut utiliser des protéines porteuses. Ce type de transport actif associe l'ATP ou l'énergie chimique pour assurer le transport des molécules à l'intérieur et à l'extérieur des cellules.

  • Par exemple, la pompe sodium-potassium dont il a été question plus haut est pilotée par l'ATP, car l'ATP est utilisé pour faciliter le transport des ions sodium et potassium. Les pompes sodium-potassium sont essentielles car elles commandent les impulsions nerveuses et maintiennent l'homéostasie dans notre corps. L'homéostasie est le processus par lequel notre corps maintient sa stabilité.

  • La pompe sodium-potassium est également un antiporteur. Un antiporteur est un transporteur qui déplace les molécules impliquées dans des directions opposées, comme les ions sodium vers l'extérieur et les ions potassium vers l'intérieur de la cellule.

Outre les antiporteurs, il existe d'autres types de transporteurs : les uniporteurs et les symporteurs. Les uniporters sont des transporteurs qui ne déplacent qu'un seul type de molécule. Les symporteurs, quant à eux, transportent deux types de molécules, mais contrairement aux antiporteurs, ils le font dans la même direction.

• Lapompe sodium-glucose utilise le gradient électrochimique de l'ion sodium, ce qui en fait un transport actif secondaire, contrairement à la pompe sodium-potassium, qui utilise directement l'ATP, ce qui en fait un transport actif primaire.

  • Les cellules maintiennent généralement une concentration de sodium plus élevée à l'intérieur et une concentration de potassium plus élevée à l'extérieur de la cellule. La pompe sodium-glucose fonctionne grâce à une protéine porteuse qui se lie au glucose et à deux ions sodium simultanément. En effet, le glucose et le sodium ne veulent pas aller à l'encontre de leur gradient, ce qui fait que le glucose ne veut pas entrer dans la cellule et que le sodium veut y entrer.

  • Le gradient d'énergie causé par le sodium qui veut entrer dans la cellule entraîne le glucose avec lui. Si les cellules souhaitent maintenir le sodium à une concentration plus faible à l'intérieur de la cellule par rapport à l'extérieur, la cellule finit par devoir utiliser la pompe sodium-potassium pour chasser les ions sodium.

  • Dans l'ensemble, la pompe sodium-glucose n'utilise pas directement d'ATP, ce qui en fait un transport actif secondaire. Il s'agit également d'un symport car le glucose et le sodium entrent dans la cellule ou dans la même direction, contrairement à la pompe sodium-potassium.

Figure 5 : Types de transporteurs illustrés. Wikimedia, Lupask.