2- Diffusion facilitée

Elle s'applique au transport membranaire de diverses molécules polaires (oses, nucléosides) et certains ions. Dans ce cas la molécule où l'ion sont pris en charge par une protéine transporteuse (= transporteurs) ce qui  évite le contact avec la bicouche lipidique lors de son transfert vers l'autre face de la membrane.

Le flux net est dicté par le gradient de concentration, comme dans le cas de la  diffusion simple, et aussi par le potentiel électrique au travers la membrane pour les molécules électriquement chargées (ions).

La diffusion facilitée est un mécanisme saturable, contrairement à la diffusion simple. La vitesse de transport atteint un maximum (Vmax) lorsque le transporteur est saturé.

La diffusion facilitée est assurée par des transporteurs et des protéines canal (= canaux)

Les Transporteurs

Ces protéines lient de façon spécifique les molécules à transporter (sucres, acides aminés, nucléosides), puis elles subissent des changements conformationnels qui permettent à la molécule de traverser la membrane et d'être libérée sur l'autre face. 

- Les transporteurs de glucose (exemple de protéine de type uniport)

Ce sont les transporteurs les plus étudiés.

Ils assurent la diffusion facilitée du glucose du milieu extracellulaire vers le milieu intracellulaire (selon le gradient de concentration).

On distingue plusieurs isoformes, chacune ayant un rôle différent selon la vitesse et la capacité de transport de glucose.
Le transporteur GLUT1 est ubiquitaire et assure le transport basal de glucose (première source d'énergie) dans l'ensemble des cellules de l'organisme.
Le transporteur GLUT4 est spécifiquement exprimé dans les muscles squelettiques et le tissu adipeux. Il permet d'augmenter de façon importante et rapidement l'utilisation de glucose de ces tissus en réponse à une hyperglycémie et hyperinsulinémie (repas).
Le transporteur GLUT2 est exprimé dans les hépatocytes et la cellule beta du pancréas endocrine.
Dans l'hépatocyte, le transport de glucose au travers GLUT2 peut s'effectuer dans le sens du milieu extracellulaire vers le milieu intracellulaire (captage de glucose après un repas) ou dans le sens inverse (production de glucose après environ 8-10h de jeûne).
Quant au transport du fructose, libéré par l’hydrolyse du sucrose dans les aliments, il est assuré par le transporteur de type GLUT5 situé dans la membrane apicale de la cellule intestinale.

- Fonctionnement:

Les Protéines canal (= canaux transmembranaires)

A l'inverse des protéines transporteuses, les protéines canal forment un pore au travers la membrane qui, lors de son ouverture (contrôlée), permet  un libre passage (libre diffusion) de toutes molécules ayant une charge et une taille appropriées.
Le canal est une protéine intégrale constituée d'un ensemble de sous-unités.

Il existe plusieurs types de protéines canal:

- les canaux ioniques (protéines canal les mieux caractérisées, 84 gènes)
Ils permettent, comme leur nom l'indique, de laisser passer les ions au travers la membrane plasmique. Ils ont surtout été étudiés au niveau du muscle et des neurones, où la régulation de leur ouverture et de leur fermeture est responsable de la transmission des signaux électriques.

- les connexines: elles sont constituées de 6 unités (= connexons) qui forment un canal permettant le passage de molécules (d'un poids moléculaire < 1kDa : Ca⁺⁺, IP₃, AMPc...) entre deux cellules.

- les aquaporines (AQP): permettent aux molécules d'eau de traverser la membrane beaucoup plus rapidement que par simple diffusion au travers la bicouche lipidique. Grande famille de protéines (11 isoformes chez l'homme) ayant une spécificité d'expression tissullaire sauf pour AQP1 qui est ubiquitaire.
Dans le tubule rénal environ 70 % de l'eau est réabsorbée dans le sang par l'aquaporine AQP1, située dans les membranes luminales et basolatérales du tubule proximal et du segment grêle descendant. Au niveau du tubule collecteur, les 10 % d'eau restants sont réabsorbés par l'AQP2 et l'AQP3.

Les canaux ioniques:

Propriétés:

- rapidité de transport: environ un million d'ions peuvent traverser le canal, soit environ cent fois la vitesse de transport des protéines transporteuses.
- ils sont très sélectifs: ils peuvent laisser passer un seul ion (ex: K⁺, Na⁺, Ca⁺⁺ et Cl^-) et ce sont les canaux les plus nombreux (protéines de type uniport), voire une famille de molécules. Le canal le moins spécifique étant le canal nicotinique, responsable de l'activité musculaire. Il laisse passer tous les ions positifs monovalents.
- durée d'ouverture: variable. Certains canaux peuvent rester ouverts tant que le stimulus est présent, alors que d'autres se referment après quelques millisecondes. La fermeture est parfois suivie d'une période réfractaire qui empêche toute ouverture en présence d'une nouvelle stimulation.
- participation à la polarité de la membrane:  le courant ionique qu'ils créent polarise la membrane ce qui conduit à l'établissement de la composante électrique du gradient électrochimique de tous les ions.

Mode d'activation (mode d'ouverture) :

L'ouverture est transitoire et régulée par des stimuli spécifiques.

* canaux voltage-dépendants: ils sont sensibles aux variations de potentiel transmembranaire. Ils s'ouvrent en réponse à une dépolarisation et se ferment lors d'une hyperpolarisation. Exemple: les canaux K⁺ et Na⁺ des nerfs et des muscles (possèdent un très haut degré de sélectivité) ainsi que les canaux Ca⁺⁺ qui contrôlent la libération des neurotransmetteurs dans les terminaisons pré-synaptiques.

* canaux activés par des ligands (récepteurs canaux): ils s'ouvrent en réponse à la liaison d'un neurotransmetteur ou d'autres molécules signal. Le mieux décrit est le récepteur canal de l'acétylcholine  ("type nicotinique") qui s'ouvre en réponse au ligand et se laisse traverser par Na+ et K+, (il est imperméable à Cl-). Si l'on prend l'exemple du muscle, l'influx de Na+ dépolarise la cellule musculaire membranaire et déclenche un potentiel d'action. Ce potentiel déclenche l'ouverture des canaux calciques voltage-dépendants ce qui entraîne une augmentation du Ca++ intracellulaire et la réponse est la contraction du muscle.

* canaux activés par des nucléotides: ils sont particulièrement importants dans les systèmes olfactifs et visuels des mammifères. Dans le système visuel, le canal activé par le cGMP est localisé dans la membrane des cellules photoréceptrices rétiniennes. Dans ces cellules, en réponse à l'obscurité, il ya une élévation intracellulaire du cGMP ce qui conduit à une ouverture du canal. Il laisse entrer des ions chargés positivement dans la cellule ce qui génère une hyperpolarisation. A l'inverse, en réponse à la lumière (photon) il y a une diminution du cGMP dans les cellules photoréceptrices ce qui génère une hyperphosphorylation.

* canaux activés par un second messager: le canal s'ouvre en réponse à l'activation d'un récepteur couplé à une protéine G. Exemple : le récepteur de l'acétylcholine ("type muscarinique") qui par le biais de seconds messagers permettra d'augmenter l'entrée de Ca++ à partir des canaux voltage-dépendants.

* canaux inhibés par l'ATP: encore appelés canaux potassiques à rectification entrante (inwardly-rectifying K+ channel ou Kir). Ils se ferment lors d'une élévation de la concentration d'ATP intracellulaire ce qui entraîne une accumulation de potassium intracellulaire et par voie de conséquence induit une dépolarisation de la membrane. Dans le cas de la cellule beta pancréatique (en réponse à une hyperglycémie), la dépolarisation va permettre l'ouverture de canaux calciques voltage-dépendants et l'élévation du Ca++ intracellulaire stimule la sécrétion d'insuline .

* canaux activés par un stimulus mécanique: les vibrations acoustiques génèrent au niveau des stéréocils (situés dans l'oreille) des variations locales de tension  de la membrane qui activent l'ouverture des canaux calciques. Une entrée massive et persistante de calcium chez un sujet exposé au bruit entraîne une mort cellulaire (par excès de Ca++ intracellulaire) et par voie de conséquence une surdité.

Certains canaux répondent à différents stimuli. Exemple: le récepteur NMDA est partiellement activé par son ligand le glutamate, mais il est aussi voltage dépendant lorsque la membrane est dépolarisée.

Mouvement des ions :

Ils traversent toujours la membrane selon le gradient électrochimique. Si le gradient s'annule, le mouvement transmembranaire s'arrête et s'il s'inverse le mouvement s'inverse également.

Le gradient électrochimique : c'est la résultante des forces ou gradients qui détermine le flux d'une molécule donnée à travers la membrane. Plusieurs gradients y contribuent:

- le gradient de concentration : il est connu que le flux net d'une molécule se fait du compartiment de forte concentration (C1) vers le compartiment de faible concentration (C2). La loi de Fick permet de calculer le flux net au travers la membrane.

- le gradient électrique: lorsqu'une molécule est chargée (ion) et s'il existe une différence de potentiel entre deux compartiments séparés par une membrane (cas de toutes les cellules animales), le rapport des concentrations à l'état d'équilibre (flux net = 0) est donné par la loi de Nernst.

Un ion diffuse suivant son gradient électrochimique, qui combine l'influence de la force électrique (potentiel de membrane) et celle de la force chimique (gradient de concentration). Les solutés non chargés, quant à eux, subissent uniquement l'influence du gradient de concentration.

Si l'on prend par exemple le flux de potassium (K⁺) au travers la membrane, il a été établi que la concentration intracellulaire est toujours plus élevée que dans le milieu extracellulaire. Par diffusion passive le flux K⁺ est dirigé du milieu extracellulaire vers le milieu intracellulaire (selon le gradient de concentration). Cet efflux de charges positives génère simultanément un potentiel électrique au travers la membrane et le milieu intracellulaire devient négativement chargée. Ce potentiel de membrane s'oppose alors à l'efflux de K⁺ et le système s'approche d'un état d'équilibre qui est tel que le potentiel de membrane équilibre le gradient de concentration de K⁺.

Rôle des canaux ioniques:

Le rôle fondamental des canaux ioniques a été clairement établi par Alan Hodgkin et Andrew Huxley en 1952, lors d'études de la transmission de l'influx nerveux (potentiel d'action) dans l'axone des neurones géants (diamètre d'environ 1mm) du calamar.
En permettant de créer des mouvements d'ions et de dépolariser la membrane, ils provoquent des phénomènes tels que:
- la conduction nerveuse
- la contraction cellulaire
- la sensibilté de certains récepteurs sensoriels
- la sensibilité aux neurotransmetteurs et aux hormones.
Cette variété de rôle est permise grâce à un nombre élevé de canaux.
La diversité des réponses est aussi due au fait que l'ouverture d'un même type de canal (canal calcique par exemple, où il en existe une dizaine) différe tant en mode qu'en durée.

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