BIOMEMBRANES: STRUCTURE ET FONCTIONS - LA BIOLOGIE - 2025

Les biomembranes sont des structures, très dynamiques et sélectives principalement de nature lipidique, faisant partie des cellules de tous les êtres vivants. Essentiellement, ils sont chargés d'établir les frontières entre la vie et l'espace extracellulaire, en plus de décider de manière contrôlée ce qui peut entrer et sortir de la cellule.

Les propriétés de la membrane (telles que la fluidité et la perméabilité) sont directement déterminées par le type de lipide, la saturation et la longueur de ces molécules. Chaque type de cellule possède une membrane avec une composition caractéristique de lipides, de protéines et de glucides, ce qui lui permet de remplir ses fonctions.

Source: travail dérivé: Dhatfield (discussion) Cell_membrane_detailed_diagram_3.svg: * travail dérivé: Dhatfield (discussion) Cell_membrane_detailed_diagram.svg: LadyofHats Mariana Ruiz

Structure

Le modèle actuellement accepté pour décrire la structure des membranes biologiques est appelé «mosaïque fluide». Il a été développé en 1972 par les chercheurs S. Jon Singer et Garth Nicolson.

Une mosaïque est l'union de différents éléments hétérogènes. Dans le cas des membranes, ces éléments comprennent différents types de lipides et de protéines. Ces composants ne sont pas statiques: au contraire, la membrane se caractérise par son extrême dynamique, là où lipides et protéines sont en mouvement constant ».

Dans certains cas, nous pouvons trouver des glucides ancrés à certaines protéines ou aux lipides qui forment la membrane. Ensuite, nous allons explorer les principaux composants des membranes.

-Lipides

Les lipides sont des polymères biologiques constitués de chaînes carbonées, dont la principale caractéristique est l'insolubilité dans l'eau. Bien qu'ils remplissent de multiples fonctions biologiques, la plus remarquable est leur rôle structurel dans les membranes.

Les lipides capables de former des membranes biologiques sont composés d'une partie apolaire (insoluble dans l'eau) et d'une partie polaire (soluble dans l'eau). Ces types de molécules sont appelés amphipathiques. Ces molécules sont des phospholipides.

Comment se comportent les lipides dans l'eau?

Lorsque les phospholipides entrent en contact avec l'eau, la partie polaire est celle qui entre réellement en contact avec elle. En revanche, les "queues" hydrophobes interagissent les unes avec les autres, essayant de s'échapper du liquide. En solution, les lipides peuvent acquérir deux schémas d'organisation: les micelles ou les bicouches lipidiques.

Les micelles sont de petits agrégats de lipides, où les têtes polaires sont regroupées "regardant" l'eau et les queues sont regroupées à l'intérieur de la sphère. Les bicouches, comme leur nom l'indique, sont deux couches de phospholipides où les têtes font face à l'eau, et les queues de chacune des couches interagissent les unes avec les autres.

Ces formations se produisent spontanément. Autrement dit, aucune énergie n'est nécessaire pour entraîner la formation de micelles ou de bicouches.

Cette propriété amphipathique est, sans aucun doute, la plus importante de certains lipides, puisqu'elle a permis la compartimentation de la vie.

Toutes les membranes ne sont pas identiques

En termes de composition lipidique, toutes les membranes biologiques ne sont pas identiques. Celles-ci varient en fonction de la longueur de la chaîne carbonée et de la saturation entre elles.

Par saturation, nous entendons le nombre de liaisons qui existent entre les carbones. Lorsqu'il y a des liaisons doubles ou triples, la chaîne est insaturée.

La composition lipidique de la membrane déterminera ses propriétés, notamment sa fluidité. Lorsqu'il y a des liaisons doubles ou triples, les chaînes de carbone «se tordent», créant des espaces et diminuant le tassement des queues lipidiques.

Les plis réduisent la surface de contact avec les queues voisines (en particulier les forces d'interaction de van der Waals), affaiblissant la barrière.

En revanche, lorsque la saturation de la chaîne est augmentée, les interactions de van der Waals sont beaucoup plus fortes, augmentant la densité et la résistance de la membrane. De même, la résistance de la barrière peut être augmentée si la chaîne hydrocarbonée augmente en longueur.

Le cholestérol est un autre type de lipide formé par la fusion de quatre anneaux. La présence de cette molécule permet également de moduler la fluidité et la perméabilité de la membrane. Ces propriétés peuvent également être affectées par des variables externes, telles que la température.

-Protéines

Dans une cellule normale, un peu moins de la moitié de la composition de la membrane est constituée de protéines. Ceux-ci peuvent être trouvés noyés dans la matrice lipidique de plusieurs manières: totalement immergés, c'est-à-dire intégraux; ou en périphérie, où seule une partie de la protéine est ancrée aux lipides.

Les protéines sont utilisées par certaines molécules comme canaux ou transporteurs (de la voie active ou passive) pour aider de grandes molécules hydrophiles à traverser la barrière sélective. L'exemple le plus frappant est la protéine qui fonctionne comme une pompe sodium-potassium.

-Les glucides

Les glucides peuvent être attachés aux deux molécules mentionnées ci-dessus. Ils se trouvent généralement autour de la cellule et jouent un rôle dans le marquage, la reconnaissance et la communication cellulaires en général.

Par exemple, les cellules du système immunitaire utilisent ce type de marquage pour différencier ce qui leur appartient de ce qui est étranger, et ainsi savoir quelle cellule doit être attaquée et laquelle ne doit pas.

Caractéristiques

Fixez des limites

Comment les limites de la vie sont-elles établies? Grâce aux biomembranes. Les membranes d'origine biologique sont chargées de délimiter l'espace cellulaire dans toutes les formes de vie. Cette propriété de compartimentation est essentielle pour la génération de systèmes vivants.

De cette manière, un environnement différent peut être créé à l'intérieur de la cellule, avec les concentrations et les mouvements de matériaux nécessaires qui sont optimaux pour les êtres organiques.

De plus, les membranes biologiques établissent également des limites à l'intérieur de la cellule, à l'origine des compartiments typiques des cellules eucaryotes: mitochondries, chloroplastes, vacuoles, etc.

Sélectivité

Les cellules vivantes nécessitent une entrée et une sortie constantes de certains éléments, par exemple l'échange d'ions avec l'environnement extracellulaire et l'excrétion de déchets, entre autres.

La nature de la membrane la rend perméable à certaines substances et imperméable à d'autres. Pour cette raison, la membrane, avec les protéines qu'elle contient, agit comme une sorte de «gardien» moléculaire qui orchestre l'échange de matériaux avec l'environnement.

De petites molécules, qui ne sont pas polaires, peuvent traverser la membrane sans aucun problème. En revanche, plus la molécule est grosse et plus polaire, la difficulté du passage augmente proportionnellement.

Pour donner un exemple précis, une molécule d'oxygène peut traverser une membrane biologique un milliard de fois plus vite qu'un ion chlorure.

Références

1. Freeman, S. (2016). Biologie. Pearson.
2. Kaiser, Californie, Krieger, M., Lodish, H., et Berk, A. (2007). Biologie cellulaire moléculaire. WH Freeman.
3. Peña, A. (2013). Membranes cellulaires. Fonds de culture économique.
4. Singer, SJ et Nicolson, GL (1972). Le modèle mosaïque fluide de la structure des membranes cellulaires. Science, 175 (4023), 720-731.
5. Stein, W. (2012). Le mouvement des molécules à travers les membranes cellulaires. Elsevier.