Transport membranaire
Transports sans mouvements membranaires
Transporteurs actifs : pompes (transporteurs primaires)
Vue d'ensemble et classification

1. Les pompes font partie des transporteurs actifs.

a. L'autre catégorie de transporteurs actifs est représentée par les co-transporteurs (ou transporteurs secondaires), appelés aussi perméases ou même translocases, qui utilisent les gradients de concentration (driving force) préexistants de solutés conducteurs comme source d'énergie pour faire traverser la membrane plasmique à la molécule.

b. Les co-transporteurs (ou transporteurs secondaires) sont quelquefois appelés pompes secondaires.

2. En biologie, le transport dit actif désigne le passage d'un ion ou d'une molécule à travers une membrane contre son gradient de concentration (driving force).

Remarque : la diffusion facilitée, une des formes de transport dit passif, fait intervenir deux autres types de protéines transmembranaires :

• 1. les canaux ioniques qui, comme leur nom l'indique, forment des canaux qui laissent traverser les ions sans apport d'énergie,
• 2. les transporteurs dits uniports ou uniporteurs.

Vue d'ensemble des pompes

Les pompes (encore appelées transporteurs primaires) utilisent le plus souvent l'énergie de l'hydrolyse de l'ATP pour faire traverser les membranes, i.e. plasmique ou des organites intracellulaires, à l'ion ou à la molécule.

• Le transport de la substance par la pompe est unidirectionnel.
• Certaines pompes, comme l'ATP synthase, utilisent un transfert d'électrons couplé à un transfert de protons, pour la synthèse d'ATP comme dans la chaine respiratoire.

Chez certains animaux, elle peut fonctionner dans les deux sens et hydrolyser l'ATP.

1. Ce mouvement peut s'effectuer contre le gradient de concentration (driving force) de la molécule, et on peut assister :

• à sa concentration,
• à son élimination complète.

Les pompes permettent, et la liste est loin d'être exhaustive :

• maintenir les concentrations ioniques intracellulaires, i.e. Na⁺, K⁺, Ca⁺⁺, H⁺…
• réguler le pH cellulaire (H⁺) par les pompes à protons,
• participer à la transmission nerveuse et musculaire,
• assurer la sécrétion d’ions ou de substances,
• synthétiser l’ATP comme les ATP synthases,
• transporter du cholestérol et des lipides et expulser des toxines ou des médicaments comme les transporteurs ABC.

2. Les pompes ne fonctionnent pas comme les canaux ioniques, à diffusion facilitée.

• Lorsqu'elle s'active, la pompe présente un site de fixation à l'ion ou à la molécule à transporter.
• Elle subit alors un changement de conformation qui lui permet de déverser l'ion ou la molécule fixée de l'autre côté de la membrane.

Classification des pompes

Les pompes peuvent être classées selon plusieurs critères.

• selon la famille d'ATPases,
• selon les substances transportées, i.e. ions, molécules…

Quatre types ont été décrits et sont développés dans la classification des ATPases.

Transporteurs ABC

Les transporteurs ABC (ATP-Binding Cassette transporter) forment une superfamille, la plus nombreuse et la plus ancienne des pompes, dont les membres sont retrouvés dans tous les phylums existants des procaryotes aux humains.

Les membres de cette superfamille effectuent la translocation d'un large éventail de substrats chimiques, en particulier ( fonctions des transporteurs ABC) :

• les lipides, le cholestérol et les stéroïdes,
• les peptides,
• les ions,
• les médicaments.

ATPases de type P

Les P-TPases, également connues sous le nom d'ATPases E1-E2, forment le groupe le plus important de pompes ioniques et lipidiques, 20 familles différentes qui forment cinq classes hautement conservées depuis les bactéries.

Les ATPases de type P, qui comprennent plus de 20 familles différentes, forment cinq classes.

Pompe sodium-potassium

La pompe sodium-potassium, présente sur la membrane plasmique de toutes les cellules animales, est la plus représentative de la famille des P-ATPases.

• 

1. Elle expulse trois ions sodium (Na⁺) et fait entrer deux ions potassium (K⁺) pour chaque molécule d'ATP hydrolysée.

2. Son action est multiple.

• Elle maintient les gradients ioniques de Na⁺ et K⁺ à travers la membrane plasmique.
• Elle génère le potentiel se repos des membrane des cellules excitables, i.e. neurones ou muscles.
• Elle restaure les concentrations ioniques intra- et extracellulaires, i.e. le gradient électrochimique (driving force) membranaire après le déroulement d'un potentiel d'action.
• Elle régule le volume cellulaire en contrôlant les flux d’ions et d’eau.
• Elle fournit un gradient de Na⁺ utilisé pour les co-transporteurs (ou transporteurs secondaires).

2. Son mécanisme est expliqué sur la figure ci-contre par l'alternance entre deux conformations, les états dits E1 et E2 ( mécanisme des P-ATPases).

Transporteurs de calcium

Pompes à calcium

On trouve plusieurs pompes à calcium.

PMCA (Plasma Membrane Ca⁺⁺ ATPase)

1. PMCA (Plasma Membrane Ca⁺⁺ ATPase), qui fait partie des P2B-ATPases, expulse les ions Ca⁺⁺ du cytoplasme vers l'extérieur de la cellule, pour maintenir une faible concentration intracellulaire de calcium d'environ 100 nM, essentielle pour de nombreux processus cellulaires.

1. La PMCA est localisé sur la membranes de toutes les cellules eucaryotes, mais est particulièrement abondante dans les neurones, les cellules musculaires et les cellules épithéliales (reins, intestins).

Elle est impliquée dans :

• la signalisation comme lors de la sortie du Ca⁺⁺ cytosolique après un signal calcique, comme lors d'activation neuronale, hormonale ou musculaire,
• le maintien de l’homéostasie calcique intracellulaire,
• la prévention de l'excès calcique qui déclenche des dommages cellulaires ou l'apoptose.

2. Le calcium est libéré dans le cytoplasme à partir des réserves de calcium contenues dans le réticulum endoplasmique (RE), en particulier sarcoplasmique des cellules musculaires.

• L'hydrolyse d'une molécule d'ATP est couplée au transport de deux ions Ca⁺⁺.
• Cette pompe est utilisée pour extraire Ca⁺⁺ du milieu intracellulaire et lui faire traverser la membrane, soit plasmique vers le milieu extracellulaire, soit endoplasmique pour la concentrer dans les sacs.

SERCA (Sarco/Endoplasmic Reticulum Ca⁺⁺-ATPase)

SERCA (Sarco/Endoplasmic Reticulum Ca⁺⁺-ATPase), une P2A-ATPase, est située dans les myocytes et transfère le Ca⁺⁺ du cytosol dans le réticulum endoplasmique (RE).

Caractéristiques	PMCA	SERCA
Localisation	Membrane plasmique	Membrane du réticulum endoplasmique (RE) /sarcoplasmique (RS)
Fonction	Expulse le Ca++ vers l’extérieur de la cellule	Transporte le Ca++ dans le RE/RS
Rôle	Maintient le Ca++ cytosolique bas	Remplit les stocks intracellulaires en Ca++
Affinité pour Ca++	Haute affinité (fonctionne à faibles taux de Ca++)	Moindre que PMCA
Capacité de transport	Faible (lente)	Forte (rapide, efficace, surtout dans le muscle)
Stœchiométrie	ATP hydrolysé ➞ 1 Ca++ expulsé	ATP hydrolysé ➞ 2 Ca++ expulsés
Régulation	Calmoduline (active PMCA quand taux de Ca++ ↑	Régulée par phosphorylation, interaction avec phospholambane (PLC)

SPCA (Secretory Pathway Ca⁺⁺-ATPase)

SPCA (Secretory Pathway Ca⁺⁺-ATPase), qui est aussi une P2A-ATPase, transporte Ca⁺⁺ et Mn⁺⁺ dans la lumière de l'appareil de Golgi.

Elle participe à la maturation des protéines et au trafic vésiculaire.

Aparté sur les transporteurs de calcium

Il existe d'autres types de transporteurs de calcium qui ne sont pas des pompes.

1. L'échangeur Na⁺/Ca⁺⁺ (NCX) qui est un antiport de la membrane plasmique, antiport plus rapide que PMCA.

2. L'uniport MCU (Mitochondrial Calcium Uniporter) est un canal ionique de la membrane mitochondriale interne (IMM), permettant l’entrée passive du Ca⁺⁺ dans la matrice mitochondriale selon son gradient électrochimique.

Il transporte le Ca⁺⁺ du cytosol lorsque sa concentration est élevée, i.e. lors d'un signal calcique par exemple, vers la matrice mitochondriale et permet alors son accumulation transitoire dans la mitochondrie.

3. Les transporteurs de Ca⁺⁺ sont aussi présents dans :

a. les canaux calciques lysosomaux et endosomaux, i.e. canaux TRPML (Transient Recepteur Potentiel) ou TPC (Two-Pore Channels)

b. le rréticulum endoplasmique (RE) qui possède des canaux calciques de libération du Ca²⁺ comme :

• les récepteurs IP3R ou InsP3R, récepteurs de l'inositol trisphosphate (InsP₃ ou IP₃) qui sont des complexes de glycoprotéines membranaires agissant comme un canal calcique pour provoquer la libération des ions Ca⁺⁺ stockés dans RE,
• les récepteurs de la ryanodine (RyR), canaux calciques intracellulaires de très grand poids moléculaire, qui permettent la libération massive et rapide de Ca²⁺ à partir du RE vers le cytosol.

Les RyR sont activés par le Ca⁺⁺ lui-même dans un processus appelé CICR (Calcium-Induced Calcium Release) : une petite entrée de calcium dans la cellule, via un canal voltage-dépendant ou un récepteur IP3R, déclenche l'ouverture du canal pour une libération explosive du Ca⁺⁺, mécanisme essentiel dans la contraction musculaire, en particulier cardiaque.

Pompes à protons

Certaines P-ATPases sont des pompes à protons qui permettent aux ions H⁺ de traverser la membrane dans les deux sens.

Autres pompes à ATPases

Ce sont surtout des pompes à protons qui utilisent un gradient de protons comme :

1. Les F-ATPases, appelées aussi ou F₁F_O-ATPases, localisées dans les mitochondries, les chloroplastes et les membranes plasmiques bactériennes, qui marchent dans les deux sens, mais sont sont les principales productrices d'ATP.

2. Les V-ATPases, appelées aussi V₁V₀-ATPases, V pour vacuolaire, enzyme archaïque hautement conservée, se trouvent principalement dans la membrane du système endomembranaire, comme les lysosomes, les endosomes, l'appareil de Golgi…

Co-transporteurs (ou transporteurs secondaires)