Membranes plasmatiques
La membrane plasmique est une structure de la cellule végétale qui forme une barrière semi-perméable, ou sélective, entre l’intérieur de la cellule et l’environnement extérieur ; elles fonctionnent également dans le transport des molécules dans et hors de la cellule.
En plus de former la barrière structurelle entre le contenu interne d’une cellule et l’environnement externe, les membranes plasmiques contiennent des protéines impliquées dans le transport de molécules et d’autres substances dans et hors de la cellule, et elles contiennent des protéines et d’autres molécules qui sont essentielles pour recevoir des signaux de l’environnement et des hormones végétales qui dirigent la croissance et la division.
Les glucides associés à la membrane plasmique sont des marqueurs du type de cellule. Chez les plantes, la membrane plasmique est le site de synthèse de la cellulose.
Les molécules lipidiques fournissent la structure de la membrane plasmique, qui est décrite par le modèle de mosaïque fluide comme un océan dynamique de lipides dans lequel flottent d’autres molécules.
Les phospholipides sont les lipides les plus abondants des membranes plasmiques, et ils sont organisés en une bicouche phospholipidique fluide dans laquelle sont intercalés des stérols, des protéines et d’autres molécules. Les phospholipides sont des molécules amphipathiques, contenant des régions qui aiment l’eau (hydrophiles) et des régions qui craignent l’eau (hydrophobes).
Chaque phospholipide est constitué d’un squelette de glycérol à trois carbones ; deux des carbones sont attachés à des molécules d’acide gras à longue chaîne, et le troisième carbone est attaché à un groupe contenant du phosphate. Comme les acides gras sont non polaires et hydrophobes, ils ont tendance à s’agréger et à exclure l’eau.
Cette agrégation permet aux phospholipides de former une structure bicouche qui a les acides gras des deux couches au milieu et les groupes chargés contenant des phosphates vers l’extérieur.
Cette structure bicouche permet à une surface de la bicouche de la membrane plasmique d’interagir avec l’environnement externe aqueux, tandis que l’autre interagit avec l’environnement cellulaire interne aqueux.
Les stérols sont également présents dans les membranes plasmiques des cellules végétales. Le principal stérol présent dans les membranes plasmatiques des cellules végétales est le stigmastérol (par opposition au cholestérol, présent dans les membranes plasmatiques des cellules animales). Les stérols trouvés dans les cellules végétales sont importants sur le plan économique car ils constituent la matière première des médicaments à base de stéroïdes, comme les pilules contraceptives.
Protéines membranaires et glucides
Certaines protéines membranaires s’étendent sur toute la longueur de la bicouche phospholipidique et sont appelées protéines transmembranaires. Les protéines transmembranaires sont parfois appelées protéines membranaires intégrales et ont des structures et des fonctions variées.
Elles peuvent traverser la bicouche lipidique une seule fois, ou être des protéines trans membranaires à « passages multiples », se tissant dans et hors de la membrane de nombreuses fois.
La partie d’une protéine trans membranaire qui traverse l’intérieur de la membrane est souvent constituée d’acides aminés qui ont des chaînes latérales non polaires (groupes R) et est connue comme le domaine trans membranaire.
La portion de la protéine trans membranaire qui se trouve sur la surface externe de la membrane et interagit avec l’environnement aqueux contient souvent des acides aminés chargés, ou polaires, dans sa séquence.
Les protéines membranaires sont souvent importantes pour recevoir des signaux de l’environnement externe en tant que récepteurs membranaires. Par exemple, les hormones protéiques ou peptidiques interagissent avec les récepteurs protéiques transmembranaires de la membrane plasmique. Les protéines membranaires sont également impliquées dans la réception de signaux tels que les photons lumineux.
Les protéines membranaires forment des pores qui permettent aux ions (particules chargées) de passer à l’intérieur de la membrane. Les protéines membranaires appelées transporteurs sont essentielles pour amener les molécules nutritives telles que les sucres simples dans la cellule.
Pas toutes les protéines à l’intérieur de la membrane sont des protéines transmembranaires. Certaines ne sont que faiblement associées à la membrane, attachées à d’autres protéines, ou ancrées dans la membrane par une queue lipidique. Ces protéines, qui ne couvrent pas les deux côtés de la membrane, sont souvent appelées protéines membranaires périphériques.
En plus des protéines, la membrane plasmique contient des molécules de glucides. Les molécules d’hydrates de carbone sont généralement attachées aux protéines membranaires ou aux molécules lipidiques dans la bicouche. Les glucides fournissent des informations importantes sur le type et l’identité des cellules.
Transport à travers les membranes
Le transport des molécules vers et hors des cellules est une fonction importante de la membrane plasmique. Les molécules hydrophobes, comme l’oxygène, et les petites molécules non chargées, comme le dioxyde de carbone, traversent la membrane par simple diffusion.
Ces molécules utilisent l’énergie potentielle d’un gradient chimique pour conduire leur mouvement d’une zone de concentration plus élevée d’un côté de la membrane vers une zone de concentration plus faible de l’autre côté.
La diffusion fonctionne mieux lorsque ce gradient de concentration est abrupt. Par exemple, dans les cellules qui n’ont pas la capacité d’effectuer la photosynthèse, l’oxygène est utilisé presque aussi rapidement qu’il entre dans la cellule.
Cela maintient un gradient aigu de molécules d’oxygène à travers la membrane, de sorte que les molécules circulent continuellement de la zone de plus grande concentration d’oxygène à l’extérieur de la cellule vers la zone de plus faible concentration à l’intérieur de la cellule.
Les molécules qui sont polaires sont exclues de la zone hydrophobe de la bicouche. Deux facteurs influencent le transport de ces types de molécules : le gradient de concentration et le gradient électrique. Les bicouches lipidiques séparent les différences de charge électrique d’un côté de la membrane à l’autre, agissant comme une sorte de condensateur biologique.
Si l’intérieur de la cellule est plus négatif que l’extérieur de la cellule, les ions chargés négativement devraient se déplacer de l’intérieur vers l’extérieur de la cellule pour voyager avec le gradient électrique. La combinaison des gradients de concentration et électrique est appelée gradient électrochimique.
Le transport de molécules chargées ou polaires nécessite l’aide de protéines au sein de la membrane, appelées transporteurs. Les protéines de canaux forment des pores à l’intérieur de la membrane et permettent aux petites molécules chargées, généralement des ions inorganiques, de traverser la membrane d’un côté à l’autre.
Si le sens de déplacement de l’ion est le long de son gradient électrochimique, le processus ne nécessite pas d’énergie supplémentaire et est appelé transport passif.
Les protéines transporteuses changent de forme pour déposer une petite molécule, comme un sucre, d’un côté à l’autre de la membrane. Les pompes sont des protéines à l’intérieur de la membrane qui utilisent l’énergie de l’adénosine triphosphate (ATP) ou de la lumière pour transporter les molécules à travers la membrane. Lorsque l’énergie est utilisée dans le transport, le processus est appelé transport actif.
Biosynthèse de la cellulose
Chez les plantes, la membrane plasmique est le site de synthèse de la cellulose, le biopolymère le plus abondant sur terre. Des études au microscope électronique suggèrent que la membrane cellulaire des plantes contient des structures en rosette qui sont des complexes de nombreuses protéines et qui sont les sites de synthèse de la cellulose.
Des études menées sur des bactéries, des plants de coton et la mauvaise herbe Arabidoposis thaliana ont permis aux scientifiques d’isoler le gène qui réalise effectivement les réactions chimiques reliant les molécules de glucose entre elles pour former la longue structure de microfibrilles de cellulose.
Ce gène code pour une protéine appelée glycosyl transférase. Les anticorps contre la sous-unité catalytique, ou active, de la glycosyl transférase marquent spécifiquement ces structures en rosette.
Deux de ces molécules de transférase agissent simultanément depuis des côtés opposés pour ajouter deux glucoses à la fois à la microfibrille en croissance, ce qui explique la rotation des glucoses alternés dans les molécules de cellulose.