Canaux, transporteurs et pompes

La bicouche bloque les ions, le glucose et l'eau en grande quantité. Pourtant, tes cellules en échangent en permanence. Elles utilisent pour cela des protéines spécialisées, logées dans la membrane. Dans cette leçon, tu vas distinguer les canaux, qui laissent passer les ions comme des tunnels, les transporteurs, qui font passer une molécule à la fois, et les pompes, qui travaillent contre le courant en dépensant de l'énergie. Ton objectif : dire, pour un ion ou une molécule donnée, quelle porte elle emprunte et si la cellule paie le passage.

Quand une molécule ne peut pas traverser seule la bicouche mais qu'elle va dans le sens de son gradient, la cellule lui ouvre une porte : c'est la diffusion facilitée. Facilitée, parce qu'une protéine aide. Diffusion, parce que le mouvement va toujours du côté le plus concentré vers le moins concentré, et qu'il ne coûte rien. Si la concentration s'égalise, le passage net s'arrête. Il y a deux sortes de portes : les canaux, qui forment un tunnel ouvert, et les transporteurs, qui saisissent la molécule et changent de forme pour la faire passer.

Un canal est une protéine percée d'un passage étroit. Sa grande qualité est le tri. Le canal à potassium laisse passer le potassium et refuse le sodium, pourtant plus petit : l'Américain Roderick MacKinnon a montré comment, en lisant sa structure atome par atome, ce qui lui a valu le prix Nobel de chimie 2003. Beaucoup de canaux ont une porte. Certaines s'ouvrent quand la tension électrique de la membrane change, comme dans les neurones ; d'autres quand une molécule s'y fixe, comme l'acétylcholine qui commande le muscle. Une fois la porte ouverte, les ions filent sans être retenus, si bien qu'un canal en fait passer bien plus qu'un transporteur dans le même temps. Peter Agre, qui partage ce prix Nobel, a découvert les canaux à eau, les aquaporines. Les plantes en sont riches : elles règlent l'entrée de l'eau dans les cellules des racines.

Un transporteur fonctionne autrement. Il fixe la molécule d'un côté, change de forme, puis la relâche de l'autre côté. C'est un peu comme le guichet d'une banque à Abidjan : chaque client doit passer devant l'agent, l'un après l'autre. Quand la file s'allonge, le guichet ne va pas plus vite : on dit que le transporteur est saturé. Les transporteurs du glucose fonctionnent ainsi, et ils permettent à tes cellules de prendre le sucre du sang. Comme la protéine doit bouger à chaque client, elle reste bien plus lente qu'un canal ouvert, où les ions défilent sans s'arrêter.

Parfois, la cellule doit faire passer une substance contre son gradient, du côté où elle est rare vers le côté où elle est déjà abondante. Il faut alors payer en énergie : c'est le transport actif. La pompe sodium-potassium, décrite par le Danois Jens Skou, prix Nobel de chimie 1997, en est le modèle. Fais le compte d'un tour de pompe : un ATP dépensé, trois ions sodium expulsés, deux ions potassium ramenés. Tour après tour, le sodium s'accumule dehors et le potassium dedans. Et comme trois charges positives sortent quand deux seulement entrent, la pompe aide aussi l'intérieur à rester négatif. Son importance se mesure à ce qui arrive quand on l'arrête. L'ouabaïne, tirée de plantes africaines et utilisée comme poison de flèche par des chasseurs d'Afrique de l'Est, bloque précisément cette pompe, et le cœur de l'animal touché finit par s'arrêter.

La pompe crée une différence de sodium entre l'extérieur et l'intérieur. La cellule s'en sert ensuite comme d'un barrage hydraulique. Quand le sodium revient dans la cellule par un cotransporteur, il entraîne avec lui une autre molécule, même contre son gradient. C'est le transport actif secondaire : il n'utilise pas d'ATP directement, mais il dépend de la pompe. Si les deux molécules vont dans le même sens, on parle de symport ; en sens opposés, d'antiport. Les cellules de l'intestin absorbent ainsi le glucose avec le sodium. C'est pourquoi une solution de réhydratation contient à la fois du sel et du sucre.

Avec ces outils, tu peux prévoir le passage de presque n'importe quelle molécule. Pose trois questions. Est-elle petite et non polaire ? Alors elle diffuse seule à travers la bicouche, comme le dioxygène. Est-elle chargée ou polaire ? Il lui faut une protéine. Va-t-elle dans le sens de son gradient ? Alors un canal ou un transporteur suffit, sans dépense d'énergie. Va-t-elle contre son gradient ? Il faut une pompe, ou un cotransport qui profite du sodium. Enfin, si c'est une très grosse molécule ou une particule, aucune protéine ne suffit : la cellule utilise des vésicules, ce que tu verras ensuite.

Récapitulons. Les ions et les molécules polaires traversent grâce à des protéines. Dans le sens du gradient, c'est la diffusion facilitée, gratuite, par un canal rapide ou un transporteur qui peut saturer. Contre le gradient, c'est le transport actif. La pompe sodium-potassium dépense un ATP pour sortir trois ions sodium et faire entrer deux ions potassium. Le transport actif secondaire profite ensuite du retour du sodium pour faire entrer d'autres molécules, comme le glucose dans l'intestin. Dans la dernière leçon du module, tu vois comment la cellule fait entrer et sortir de très grosses molécules.