La membrane, une mosaïque fluide

Dans ce module, tu vas t'intéresser à la frontière de la cellule : sa membrane. C'est elle qui décide de ce qui entre et de ce qui sort, et c'est par elle que la cellule reçoit des messages. Dans cette première leçon, tu construis la membrane pièce par pièce : les lipides, les protéines, le cholestérol, puis les sucres de la surface. À la fin, tu dois pouvoir dessiner une membrane de mémoire et expliquer pourquoi une molécule d'oxygène la traverse sans peine alors qu'un ion sodium reste bloqué.

La brique de base de la membrane est le phospholipide. Imagine une petite allumette à deux bâtons. La tête porte un groupe phosphate chargé : elle aime l'eau. Les deux queues sont des chaînes d'acides gras : elles fuient l'eau, comme l'huile qui remonte à la surface d'une sauce. Une molécule qui a ces deux visages est dite amphiphile. Le savon fonctionne sur le même principe : sa partie grasse attrape la saleté huileuse, sa partie qui aime l'eau l'emporte au rinçage. C'est cette double nature qui pousse les phospholipides à s'organiser tout seuls dans l'eau.

Dans l'eau, les phospholipides se rangent en deux couches. Les têtes regardent vers l'eau, d'un côté vers l'extérieur de la cellule, de l'autre vers le cytoplasme. Les queues se cachent au milieu, à l'abri de l'eau. L'ensemble fait moins de dix nanomètres d'épaisseur : il faudrait en empiler plus de dix mille pour atteindre l'épaisseur d'une feuille de papier. Retiens surtout la conséquence : le centre de la membrane est gras. Les petites molécules qui se dissolvent dans les graisses le traversent. Les ions, chargés, et les grosses molécules qui aiment l'eau, comme le glucose, restent bloqués sans aide.

En 1970, deux chercheurs américains, Larry Frye et Michael Edidin, fusionnent une cellule de souris et une cellule humaine. Ils marquent les protéines de surface de la souris en vert et celles de l'humain en rouge. Au départ, chaque couleur occupe sa moitié. En moins d'une heure, à la température du corps, les deux couleurs se sont mêlées sur toute la surface. La conclusion s'impose : les protéines ne sont pas clouées, elles se déplacent dans la membrane. Deux ans plus tard, Seymour Singer et Garth Nicolson en tirent le modèle qu'on enseigne encore, la mosaïque fluide : des pièces variées, qui bougent dans une couche de lipides elle-même mobile. Certaines protéines traversent toute l'épaisseur : on les dit intrinsèques ou transmembranaires. D'autres sont seulement posées sur une face : on les dit périphériques.

Les lipides forment la barrière, mais ce sont les protéines qui font le travail. Certaines transportent : elles laissent passer un ion précis ou font traverser une molécule de glucose. D'autres sont des récepteurs : elles reconnaissent une hormone à l'extérieur et transmettent le message à l'intérieur, sans que l'hormone entre. D'autres encore accrochent la cellule à ses voisines ou à la matrice qui l'entoure. Certaines, enfin, sont des enzymes qui accélèrent une réaction juste au bord de la membrane. Selon le type de cellule, la composition en protéines change, et donc ce que la membrane sait faire.

Des chercheurs ont cultivé la même bactérie, Escherichia coli, au chaud puis au froid, et analysé ses membranes : au froid, elle fabrique davantage d'acides gras insaturés. Pourquoi ? Pense au beurre de karité, solide dans une cuisine, et à l'huile d'arachide, liquide à la même température : la forme de leurs acides gras y est pour beaucoup. Une chaîne saturée est droite, et ses voisines s'empilent contre elle comme des allumettes dans leur boîte. Une chaîne insaturée porte un coude à chaque double liaison, et ses voisines ne peuvent plus se serrer contre elle. Plus de chaînes coudées, c'est une membrane qui reste souple malgré le froid. Dans tes propres cellules, le cholestérol, logé entre les phospholipides, ajoute un réglage : à chaud, son noyau rigide freine l'agitation des queues ; à froid, il s'intercale entre elles et les empêche de se figer.

Avant une transfusion, on vérifie le groupe sanguin. Ce que le laboratoire cherche, ce sont des sucres. Au bout de certaines chaînes portées par la membrane des globules rouges, une personne du groupe A a un sucre précis, une personne du groupe B un autre sucre, une personne AB les deux, une personne O aucun des deux. Ce petit détail suffit pour que l'organisme d'un receveur attaque des globules étrangers. Ces chaînes de sucres existent sur presque toutes les cellules. Elles sont accrochées à des protéines, qu'on appelle alors glycoprotéines, ou à des lipides, les glycolipides, et elles sont toujours tournées vers l'extérieur. Elles aident les cellules d'un même tissu à se reconnaître et à s'assembler, et elles servent de signe aux défenses de l'organisme.

Si tu devais dessiner la membrane de mémoire, voici ce que ton schéma doit montrer. La membrane est une bicouche de phospholipides, têtes vers l'eau, queues au centre, sur moins de dix nanomètres. Des protéines la traversent ou s'y posent, et ce sont elles qui transportent, reçoivent les signaux et accrochent la cellule. Sa fluidité dépend des acides gras et du cholestérol. Sa face externe porte des sucres qui servent à la reconnaissance. Garde surtout en tête que le centre de la membrane est gras : c'est ce qui va te permettre, dans la leçon suivante, de prévoir quelles molécules passent seules et lesquelles ont besoin d'aide.