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Membranes cellulaires et transport

Biologie A-Level · Sujet 4

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14:03

Membranes cellulaires

Chaque cellule doit maintenir ce qu'il faut à l'intérieur et exclure ce qu'il ne faut pas. Cette tâche incombe à une couche unique, étonnamment fine — la membrane de surface cellulaire, juste deux…

Narration en anglais · Sous-titres anglais + 中文 incrustés

4.1

La membrane plasmique

Programme
  1. décrire le modèle fluide-mosaïque de la structure membranaire en se référant aux interactions hydrophobes et hydrophiles qui expliquent la formation de la bicouche phospholipidique et l'agencement des protéines
  2. décrire l'agencement du cholestérol, des glycolipides et des glycoprotéines dans les membranes plasmiques
  3. décrire les rôles des phospholipides, du cholestérol, des glycolipides, des protéines et des glycoprotéines dans les membranes plasmiques, en se référant à la stabilité, la fluidité, la perméabilité, le transport (protéines porteuses et protéines canaux), la signalisation cellulaire (récepteurs membranaires) et la reconnaissance cellulaire (antigènes membranaires – voir 11.1.2)
  4. exposer les principales étapes du processus de signalisation cellulaire menant à des réponses spécifiques : • sécrétion de substances chimiques spécifiques (ligands) par les cellules • transport des ligands vers les cellules cibles • liaison des ligands aux récepteurs membranaires des cellules cibles

Source : Programme Cambridge International

Chaque cellule est enveloppée d'une membrane plasmique 细胞膜. Nous décrivons sa structure avec le modèle mosaïque fluide 流动镶嵌模型.

Globules rouges observés au microscope électronique à balayage
Globules rouges sous microscope électronique à balayage — chacun est enveloppé d'une membrane plasmique

La bicouche phospholipidique

La membrane est constituée principalement de phospholipides 磷脂. Chaque phospholipide possède une tête hydrophile 亲水 (« aimantant l'eau ») et deux queues hydrophobes 疏水 (« redoutant l'eau »). Il y a de l'eau des deux côtés de la membrane, donc les phospholipides s'alignent en deux couches — une bicouche 双层 — avec les têtes tournées vers l'eau extérieure et intérieure, et les queues cachées au milieu, loin de l'eau. Cette disposition s'établit d'elle-même grâce aux interactions hydrophiles et hydrophobes.

Le modèle est qualifié de « fluide » car les phospholipides ne sont pas fixes : ils glissent les uns sur les autres, permettant à la membrane de bouger et de se courber. On l'appelle « mosaïque » car de nombreux protéines 蛋白质 y sont dispersés, comme des tuiles dans une image.

Ce qui flotte dans la membrane

Partie Emplacement Rôles principaux
phospholipides les deux couches forment la barrière de base
protéines à travers la membrane ou à sa surface transport, soutien et signalisation
protéines porteuses 载体蛋白 traversent la membrane transportent des molécules spécifiques à travers
protéines canaux 通道蛋白 traversent la membrane forment des pores remplis d'eau pour le passage des ions
cholestérol 胆固醇 entre les queues phospholipidiques contrôle la fluidité 流动性 et renforce la structure
glycolipides 糖脂 et glycoprotéines 糖蛋白 chaînes glucidiques à la surface externe reconnaissance cellulaire ; certains agissent comme des antigènes 抗原
Modèle mosaïque fluide : une bicouche phospholipidique parsemée de protéines canaux et porteuses, du cholestérol entre les queues, et des glycoprotéines/glycolipides avec chaînes glucidiques à la surface externe
Modèle mosaïque fluide : protéines, cholestérol et chaînes glucidiques reposent dans une bicouche phospholipidique fluide

Ainsi, les molécules membranaires confèrent ensemble à la membrane sa stabilité 稳定性, sa fluidité, sa perméabilité 通透性 (contrôle de ce qui passe), ses fonctions de transport, de signalisation et de reconnaissance cellulaire.

La membrane est semi-perméable 半透膜 : elle laisse passer certaines substances facilement mais bloque d'autres.

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Explorez la membrane cellulaire

Tapez sur chaque partie du modèle fluide-mosaïque — la bicouche ainsi que les protéines et autres molécules parsemées à travers elle.

Vocabulaire Entrainer
Anglais Chinois Pinyin
cell surface membrane/sel ˈsɜːfɪs ˈmembreɪn/ 细胞膜 xì bāo mó
fluid mosaic model/ˈfluːɪd məˈseɪɪk ˈmɒdl/ 流动镶嵌模型 liú dòng xiāng qiàn mó xíng
phospholipid/ˈfɒsfəlɪpɪd/ 磷脂 lín zhī
hydrophilic/ˌhaɪdrəˈfɪlɪk/ 亲水 qīn shuǐ
hydrophobic/ˌhaɪdrəˈfəʊbɪk/ 疏水 shū shuǐ
bilayer/ˈbɪleɪə/ 双层 shuāng céng
protein/ˈprəʊtiːn/ 蛋白质 dàn bái zhì
carrier protein/ˈkærɪə ˈprəʊtiːn/ 载体蛋白 zài tǐ dàn bái
channel protein/ˈtʃænl ˈprəʊtiːn/ 通道蛋白 tōng dào dàn bái
cholesterol/kəˈlestərɒl/ 胆固醇 dǎn gù chún
fluidity/fluːˈɪdɪti/ 流动性 liú dòng xìng
glycolipid/ˈɡlaɪkəlɪpɪd/ 糖脂 táng zhī
glycoprotein/ˈɡlaɪkəprəʊtiːn/ 糖蛋白 táng dàn bái
antigen/ˈæntɪdʒen/ 抗原 kàng yuán
stability/stəˈbɪlɪti/ 稳定性 wěn dìng xìng
permeability/ˌpɜːməˈbɪlɪti/ 通透性 tōng tòu xìng
partially permeable membrane/ˈpɑːʃəli ˈpɜːməbl ˈmembreɪn/ 半透膜 bàn tòu mó
4.1

Signalisation cellulaire

Les cellules communiquent entre elles via la signalisation cellulaire 细胞信号传递. Les étapes principales sont :

  1. une cellule sécrète une molécule signal appelée ligand 配体 (par exemple une hormone 激素).
  2. le ligand est transporté (souvent dans le sang) vers une cellule cible 靶细胞.
  3. le ligand se lie à un récepteur 受体 spécifique à la surface de la membrane de la cellule cible. La forme du récepteur correspond uniquement à ce ligand. La liaison déclenche ensuite une réponse particulière à l'intérieur de la cellule cible.
Une cellule signalisatrice libère un ligand transporté vers une cellule cible où il se lie à un récepteur de forme correspondante et déclenche une réponse interne
Le ligand ne correspond qu'à une forme de récepteur, donc seules les cellules possédant ce récepteur répondent au signal
Vocabulaire Entrainer
Anglais Chinois Pinyin
cell signalling/sel ˈsɪɡnəlɪŋ/ 细胞信号传递 xì bāo xìn hào chuán dì
ligand/ˈlɪɡænd/ 配体 pèi tǐ
hormone/ˈhɔːməʊn/ 激素 jī sù
target cell/ˈtɑːɡɪt sel/ 靶细胞 bǎ xì bāo
receptor/rɪˈseptə/ 受体 shòu tǐ
4.2

Transport de substances à travers la membrane

Programme
  1. décrire et expliquer les processus de diffusion simple, de diffusion facilitée, de osmose, du transport actif, de l'endocytose et de l'exocytose
  2. explorer la diffusion simple et l'osmose en utilisant des tissus végétaux et des matériaux non vivants, y compris le tube de dialyse (Visking) et l'agar
  3. illustrez le principe selon lequel les rapports surface/volume diminuent avec l'augmentation de la taille en calculant les surfaces et volumes de formes simples en 3D (comme indiqué dans les exigences mathématiques)
  4. explorer l'effet du changement du rapport surface/volume sur la diffusion en utilisant des blocs d'agar de tailles différentes
  5. explorer les effets de l'immersion de tissus végétaux dans des solutions de différents potentiels hydriques, en utilisant les résultats pour estimer le potentiel hydrique des tissus
  6. expliquer le mouvement de l'eau entre les cellules et les solutions en termes de potentiel hydrique et expliquer les différents effets du mouvement de l'eau sur les cellules végétales et animales (la connaissance du potentiel osmotique et du potentiel de pression n'est pas attendue)

Source : Programme Cambridge International

Transport actif vs diffusion
Osmose : l'eau traverse la membrane
Diffusion : mouvement aléatoire, flux unidirectionnel

Il existe six processus. Certains sont passifs 被动 (ils ne nécessitent pas d'énergie 能量), d'autres sont actifs (ils utilisent l'énergie de l'ATP).

Diffusion simple

La diffusion 扩散 est le mouvement net de particules d'une zone de haute concentration 浓度 vers une zone de faible concentration, jusqu'à une répartition uniforme. La diffusion simple 简单扩散 intervient lorsque les particules traversent directement la bicouche, le long du gradient de concentration 浓度梯度. Seules les petites molécules ou non polaires peuvent le faire — telles que l'oxygène 氧气 et le dioxyde de carbone 二氧化碳. C'est passif.

Diffusion facilitée

Les ions chargés et les grandes molécules polaires (comme le glucose 葡萄糖) ne peuvent pas traverser la bicouche huileuse seuls. Dans la diffusion facilitée 易化扩散, ils traversent par des protéines canaux ou porteuses, tout en suivant toujours le gradient de concentration. C'est également passif.

Osmose

L'osmose 渗透 est la diffusion de l'eau à travers une membrane semi-perméable, d'un potentiel hydrique plus élevé vers un potentiel hydrique plus bas. C'est passif.

Une pomme de terre avec un puits de solution sucrée et une colonne montante dans un tube
Osomètre à la pomme de terre : la solution sucrée monte dans le tube alors que l'eau pénètre dans la pomme de terre par osmose
Un récipient divisé par une membrane partiellement perméable, avec peu de solutés et beaucoup d'eau du côté à haut potentiel hydrique et beaucoup de solutés du côté à bas potentiel ; l'eau traverse vers le potentiel hydrique plus faible
L'eau traverse vers le potentiel hydrique plus bas ; le soluté est trop gros pour traverser la membrane semi-perméable

Transport actif

Le transport actif 主动运输 déplace une substance contre son gradient de concentration — de faible à forte concentration. Cela nécessite des protéines porteuses et de l'énergie issue de l'ATP.

Trois panneaux comparant la diffusion simple directement à travers la bicouche, la diffusion facilitée à travers une protéine canaux, et le transport actif pompé contre le gradient en utilisant de l'ATP
La diffusion et la diffusion facilitée sont passives (le long du gradient) ; le transport actif va contre et nécessite de l'ATP

Endocytose et exocytose

Ces processus déplacent de grandes quantités de matière en vrac, en utilisant de l'ATP.

  • dans l'endocytose 胞吞作用, la membrane s'incurve autour de la matière et pince une vésicule 囊泡 pour l'introductre dans la cellule.
  • dans l'exocytose 胞吐作用, une vésicule fusionne avec la membrane et libère son contenu à l'extérieur de la cellule.
Deux schémas : dans l'endocytose, la membrane se replie vers l'intérieur autour du matériau et pince une vésicule à l'intérieur ; dans l'exocytose, une vésicule fusionne avec la membrane et libère son contenu à l'extérieur
L'endocytose introduit la matière en formant une vésicule ; l'exocytose fusionne une vésicule pour libérer son contenu
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Diffusion à travers une membrane

Réglez la concentration de chaque côté. Les particules se dispersent du haut vers le bas (haute concentration vers faible concentration) jusqu'à ce que les deux côtés soient égaux.

Vocabulaire Entrainer
Anglais Chinois Pinyin
passive/ˈpæsɪv/ 被动 bèi dòng
energy/ˈenədʒi/ 能量 néng liàng
diffusion/dɪˈfjuːʒn/ 扩散 kuò sàn
concentration/ˌkɒnsənˈtreɪʃn/ 浓度 nóng dù
simple diffusion/ˈsɪmpl dɪˈfjuːʒn/ 简单扩散 jiǎn dān kuò sàn
concentration gradient/ˌkɒnsənˈtreɪʃn ˈɡreɪdɪənt/ 浓度梯度 nóng dù tī dù
oxygen/ˈɒksɪdʒn/ 氧气 yǎng qì
carbon dioxide/ˈkɑːbən daɪˈɒksaɪd/ 二氧化碳 èr yǎng huà tàn
ion/ˈaɪɒn/ 离子 lí zi
glucose/ˈɡluːkəʊs/ 葡萄糖 pú táo táng
facilitated diffusion/fəˈsɪlɪteɪtɪd dɪˈfjuːʒn/ 易化扩散 yì huà kuò sàn
osmosis/ɒzˈməʊsɪs/ 渗透 shèn tòu
water potential/ˈwɔːtə pəˈtenʃl/ 水势 shuǐ shì
active transport/ˈæktɪv ˈtrænspɔːt/ 主动运输 zhǔ dòng yùn shū
endocytosis/ˌendəʊsɪˈtəʊsɪs/ 胞吞作用 bāo tūn zuò yòng
vesicle/ˈvesɪkl/ 囊泡 náng pào
exocytosis/eɡˌzɒsɪˈtəʊsɪs/ 胞吐作用 bāo tǔ zuò yòng
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4.2

Rapport surface/volume

Une cellule absorbe et élimine des substances à travers sa surface. À mesure qu'un objet grandit, son volume 体积 augmente plus vite que sa surface 表面积. Le rapport surface/volume devient donc plus petit à mesure que la taille augmente.

Pour un cube de côté $L$ :

$$\text{surface area} = 6L^2, \qquad \text{volume} = L^3, \qquad \text{ratio} = \frac{6}{L}.$$

Un grand $L$ donne un petit rapport. C'est pourquoi les petites cellules (et les formes minces et plates) échangent rapidement des matériaux, tandis que les grandes cellules ne peuvent pas compter uniquement sur la diffusion.

Trois cubes de côté 1, 2 et 3 avec leurs rapports surface/volume de 6:1, 3:1 et 2:1, montrant que le ratio diminue à mesure que le cube grossit
À mesure qu'un cube (ou une cellule) grandit, son rapport surface : volume diminue

Exemple résolu. Comparez le rapport surface : volume d'une cellule cubique de côté $4$ avec celle de side $10$.

Pour le côté $4$ : surface $= 6 \times 4^2 = 96$ et volume $= 4^3 = 64$, donc le rapport est $96 : 64 = 1.5 : 1$. Pour le côté $10$ : surface $= 6 \times 10^2 = 600$ et volume $= 10^3 = 1000$, donc le rapport est $600 : 1000 = 0.6 : 1$. La plus grande cellule a le plus petit rapport, donc elle échange des matériaux à travers sa surface plus lentement pour sa taille — c'est pourquoi les grands organismes ont besoin de surfaces d'échange spécialisées comme les poumons et les branchies.

Vous pouvez le démontrer avec des blocs d'agar 琼az de différentes tailles imbibés de colorant ou d'acide : le plus petit bloc, ayant le plus grand rapport surface/volume, change de couleur entièrement le plus vite. La diffusion à travers des matériaux non vivants peut aussi être étudiée avec un tube dialyse 透析袋 (tube Visking).

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Surface : volume

Agrandissez le cube : son volume augmente plus vite que sa surface, donc le rapport S:V diminue — c'est pourquoi les surfaces d'échange et les cellules restent petites.

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Diffusion à travers la surface

Les particules se dispersent d'elles-mêmes des zones denses aux zones clairsemées. Une petite cellule a un grand rapport surface/volume, donc les substances diffusent assez vite dedans et dehors.

Vocabulaire Entrainer
Anglais Chinois Pinyin
volume/ˈvɒljuːm/ 体积 tǐ jī
surface area/ˈsɜːfɪs ˈeərɪə/ 表面积 biǎo miàn jī
agar/ˈeɪɡɑː/ 琼脂 qióng zhī
dialysis tubing/daɪˈæləsɪs ˈtjuːbɪŋ/ 透析袋 tòu xī dài
solute/ˈsɒljuːt/ 溶质 róng zhì
distilled water/dɪˈstɪld ˈwɔːtə/ 蒸馏水 zhēng liú shuǐ
4.2

Potentiel hydrique et cellules vivantes

Le potentiel hydrique mesure la propension de l'eau à quitter une solution. L'eau pure a le potentiel hydrique le plus élevé. L'ajout d'un soluté 溶质 (une substance dissoute) le réduit. L'eau migre toujours par osmose d'un potentiel hydrique plus élevé vers un potentiel plus bas.

Pour estimer le potentiel hydrique de tissus végétaux, on place des morceaux dans des solutions de saccharose de potentiels hydriques différents. La solution qui provoque aucun changement de masse ou de longueur a approximativement le même potentiel hydrique que le tissu.

Effet sur les cellules végétales

  • dans une solution de potentiel hydrique plus élevé (par exemple l'eau distillée 蒸馏水), l'eau pénètre dans la cellule. La cellule gonfle et devient turgide 膨胀, mais la paroi cellulaire rigide l'empêche d'éclater.
  • dans une solution de potentiel hydrique plus bas, l'eau sort. Le contenu cellulaire se rétracte et la membrane s'éloigne de la paroi cellulaire — c'est la plasmolyse 质壁分离.

Effet sur les cellules animales

Les cellules animales n'ont pas de paroi cellulaire pour les protéger.

  • dans une solution de potentiel hydrique plus élevé, l'eau entre et la cellule peut éclater. Dans un globule rouge, cet éclatement est appelé hémolyse 溶血.
  • dans une solution de potentiel hydrique plus bas, l'eau sort et la cellule se rétracte.
Une grille montrant des cellules végétales et animales dans des solutions de potentiel hydrique plus élevé et plus bas : la cellule végétale devient turgide ou plasmolysée, la cellule animale gonfle et peut éclater ou se rétracte
Une cellule végétale devient turgide ou plasmolysée ; une cellule animale peut éclater (hémolyse) ou se rétracter
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Potentiel hydrique

l'eau suit le gradient

Faites glisser les concentrations. Un gradient de potentiel hydrique entraîne un mouvement net — il s'arrête uniquement lorsque les deux côtés sont équilibrés.

Vocabulaire Entrainer
Anglais Chinois Pinyin
turgid/ˈtɜːdʒɪd/ 膨胀 péng zhàng
plasmolysis/plæzˈmɒləsɪs/ 质壁分离 zhì bì fēn lí
haemolysis/hiːˈmɒləsɪs/ 溶血 róng xuè
4.2

Conseils d'examen

  • Décrire la membrane comme un mosaïque fluide : une bicouche phospholipidique avec des protéines, du cholestérol et des glycoprotéines.
  • Classer chaque processus : la diffusion, la diffusion facilitée et l'osmose sont passives (selon un gradient) ; le transport actif et l'endo/exocytose nécessitent de l'ATP et peuvent aller à contre-gradient.
  • Pour l'osmose, utilisez toujours le potentiel hydrique ($\Psi$) : l'eau se déplace du haut (moins négatif) vers le bas (plus négatif) $\Psi$ ; l'eau pure est $0$, la plus élevée.
  • Indiquer le résultat selon le type cellulaire : cellule végétale turgide/plasmolysée ; cellule animale lyse/crine — reliez-le au gradient de potentiel hydrique.

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