Les transporteurs membranaires sont des protéines intrinsèques à la membrane cellulaire lipidique qui permettent le transport membranaire des métabolites. Ils ont deux propriétés principales :

• être sélectifs.
• être contrôlés de façon très fine.

La membrane est imperméable aux molécules hydrophiles. Ceci permet d’éviter à la cellule de perdre son contenu et permet de séparer l’intérieur de l’extérieur. Mais les réactions chimiques se déroulent pour la plupart en solution aqueuse et les transporteurs permettent de traverser la membrane pour atteindre l’endroit où ils seront utilisés. Il en existe deux grandes catégories : les canaux et les pompes.

Canaux

Les protéines-canal assurent un transport passif de molécules à travers la membrane. Le passage des molécules à travers un canal suit les lois de la diffusion. Cependant elles peuvent être plus ou moins sélectives. Elles peuvent aussi se fermer et s’ouvrir en fonction de différents stimuli (électrique, chimique, mécanique, etc.). Elles jouent un rôle important dans la définition du potentiel de membrane, la sensibilité de certaines cellules à certains signaux extérieurs…

Pompes

Les pompes se différencient des canaux par le fait que ce n’est plus le gradient électrochimique des molécules qui assure le mouvement ionique mais le couplage du transport à une réaction enzymatique exergonique, comme l’hydrolyse de l’ATP (ATPase membranaire). Le mouvement de la molécule devient donc unidirectionnel et peut même se produire contre le gradient électrochimique. La molécule se concentre donc ou au contraire est totalement éliminée de la cellule. Le transport est ici actif et non plus passif comme pour les canaux.

Le transporteur le plus connu est la pompe sodium-potassium qui expulse trois ions sodium et fait entrer deux ions potassium pour chaque molécule d’ATP hydrolysée. Ce transporteur est très important dans la cellule car il assure la création et le maintien du gradient électrochimique membranaire et est indirectement à l’origine de la plupart des mouvements transmembranaire. Si cette pompe s’arrête, le gradient électrochimique disparaît et les mouvements ioniques s’arrêtent de part et d’autre de la membrane plasmique.

D’autres transporteurs actifs très importants dans la cellule sont ceux qui concentrent le calcium du cytoplasme vers le réticulum endoplasmique et maintiennent ainsi une concentration cytosolique libre de l’ordre de la centaine de nanomoles. Cette concentration très basse sera exploitée par la cellule; le calcium est utilisé par de nombreux récepteurs comme signal pour prévenir la cellule de la présence de sa molécule activatrice (hormone en général) sur son site actif.

Cotransporteurs

Le transport de molécules contre leur gradient électrochimique ne nécessite pas forcément l’hydrolyse de l’ATP. Il existe de nombreux cas où l’énergie est fournie par un ion ou une autre molécule qui suit son gradient électrochimique. Ce phénomène s’appelle transport couplé ou Co-transport, car il couple un canal ionique à une pompe membranaire et utilise l’énergie de l’un pour activer l’autre. Selon le sens de déplacement respectif des deux molécules on parle de symport (l’ion et la molécule transportée traversent la membrane dans le même sens) ou d’antiport (les deux espèces chimiques se déplacent en sens inverse). Ces transports couplés sont très utilisés par la cellule pour récupérer les molécules nécessaires à son métabolisme dans le milieu extérieur.

L’énergie vient du gradient électrochimique, entretenu entre autres par la pompe sodium-potassium, et que l’on peut considérer que c’est bien l’ATP qui a fourni l’énergie, de manière indirecte, d’où le terme de transport primaire pour désigner les pompes ATPasiques et de transport secondaire pour les transports couplés.

Les différents types de protéines de transport

Les transporteurs sont des protéines transmembranaires (ou polytopiques) qui comportent un site de fixation à l’ion ou/et à la molécule à transporter : ils subissent alors un changement de conformation qui leur permet de déverser l’ion ou la molécule fixé de l’autre côté de la membrane.

sont appelées transports actifs, car elles ne fonctionnent qu’en présence d’énergie métabolique (ATP). Sans cette source d’énergie, elles ne sont pas capables de lutter contre les forces du gradient électrochimique.

Passage de la membrane par diffusion simple

Ce mode de transport ne fait pas intervenir de protéines membranaires. Il est limité aux gaz (N₂, O₂, CO₂, NO), aux molécules lipophiles (hormones stéroïdes et thyroïdiennes, urée, éthanol, etc.) et, dans certaines limites, à H₂O.

Passage de la membrane par protéines de transport

La diffusion par un transporteur augmente très largement la vitesse et la sélectivité de transport par rapport à la diffusion simple. Le transporteur de glucose (la perméase GLUT1) illustre bien ces deux aspects. Si on compare la diffusion passive à la diffusion facilitée, la différence en efficacité du transport membranaire est manifeste.

La spécificité est illustrée ici par le fait que ce transporteur qui a besoin de 1,5 mM de D-glucose pour fonctionner à 50% (Km) de sa capacité maximale (V_max), nécessite plus de 2000 fois plus de L-glucose pour un transport équivalent de cet isomère (). De même, pour le D-mannose ou le D-galactose il lui faut respectivement 20 et 30 mM. Ainsi, lorsque ces glucides sont tous présent à une concentration d’environ 5 mM, le D-glucose passera préférentiellement.

La diffusion par un transporteur permet également de transporter les solutés contre leur gradient chimique (concentration) et électrique (différence de potentiel membranaire). Le transport réalisé contre le gradient électrique ou chimique consomme de l’énergie et on parle alors de transport actif. Le transport actif permet le maintien de concentrations de solutés différentes de part et d’autre de la membrane.

Il y a trois principales classes de protéines membranaires de transport :

1. Les canaux ioniques et les porines : ce sont de véritables pores permettant le mouvement passif d’ions (canaux ioniques) ou de molécules de petite taille telles que  H₂O, glucides, acides aminés, nucléotides (cas des porines) avec une capacité de transport d’environ 10⁷ à 10⁸ molécules/sec.
2. Les co-transporteurs qui assurent un transport actif (symport ou antiport) avec une capacité de transport 10² à 10⁴ molécules/sec. Ce transport actif nécessite la constitution préalable d’un gradient ionique (par une pompe) et est aussi dénommé « transport actif secondaire ».
3. Les pompes, avec une capacité de transport actif d’environ 10² à 10³ ions/sec. Ce sont des protéines qui hydrolysent l’ATP et qui sont donc qualifiées d’ATPases. Ce type de transport est dénommé « transport actif primaire ».

Transport passif : Les porines et les canaux

Comportement des molécules sans charge nette. 

Les canaux ioniques et les porines sont des pores constitués d’une (comme la glucose perméase GLUT et le canal de CI^–), ou plusieurs sous-unités protéiques transmembranaires (comme les différents canaux de Na⁺, et des canaux de K⁺ ou encore la jonction Gap). Le passage à travers la membrane nécessite peu de changements de configuration de la protéine de transport.

Comportement des molécules avec charge nette

La sélectivité de transport dépend de la nature des canaux. Pour les canaux ioniques le passage semble être déterminé par deux paramètres : les forces électrostatiques à l’intérieur du canal et le diamètre du pore.

L’intérieur des canaux anioniques (comme CI^–) est faiblement positif et celui des canaux cationiques (comme K⁺) est faiblement négatif. L’ion est alors attiré par la faible charge opposée et se positionne au milieu du canal dans un environnement électrostatique favorable. Pour la majorité de canaux ioniques, les ions qui entrent perdent la plupart des interactions électrostatiques avec l’eau et établissent de nouvelles interactions avec le pore (voire figure 4b ci-dessous). Il traversera complètement à la suite de l’entrée d’autres ions de même charge qui le repousseront vers l’autre coté du canal. Le mécanisme proposé justifie le principe du passage des ions en fonction de leur gradient de concentration. La différence de potentiel électrique au travers de la membrane (potentiel de membrane) joue aussi un rôle important parce qu’elle peut s’opposer à la sortie des ions, constituant une force de répulsion en direction opposée au passage. La résultante est nommée gradient électrochimique (voir l’animation ci-dessus).

L’ouverture des canaux ioniques est généralement sous la dépendance de la fixation d’un ligand (neurotransmetteur), de l’interaction avec un composant intracellulaire (nucléotide cyclique) ou d’un changement dans le potentiel membranaire (canaux dépendant du voltage). L’ouverture de certains canaux dépend de déplacements mécaniques provoqués par un stimulus donné (mécanorécepteurs du vestibule de l’oreille interne ou osmorécepteurs dans le cerveau).

Transport actif : Les co-transporteurs et les pompes

Les co-transporteurs et les pompes sont formés de protéines plusieurs fois transmembranaires (allant de 10 à 14 passages membranaires). Ces transporteurs n’ont pas de pore apparent. Le passage d’ions ou de petites molécules nécessite donc un profond changement de configuration. Ce transport est beaucoup plus lent mais permet aux solutés de traverser contre leur gradient électrochimique. Les co-transporteurs et les pompes transfèrent les molécules de soluté à travers la membrane selon le principe d’une réaction enzyme-substrat E+S <–> ES –> E+P; (E étant le transporteur, S le soluté dans le compartiment initial, et P le soluté transféré dans le compartiment final). Cette approche permet la détermination de constantes physicochimiques ( V_maxet Km) caractéristiques de chaque transporteur. Les transporteurs possèdent un ou plusieurs sites de fixation spécifiques du substrat. Cependant, à la différence d’une réaction enzyme-substrat, le soluté transporté n’est pas modifié.

Les co-transporteurs  fonctionnent avec l’aide d’un gradient ionique constitué préalablement (souvent Na⁺ et parfois H⁺ ou CL^–). Ce sont les systèmes de co-transport dans lesquels le transfert d’un soluté dépend du transfert simultané d’un second soluté. Quand les deux solutés vont dans la même direction, c’est un symport ; quand ils vont en direction opposée, c’est un antiport (figure 5).

Les pompes sont définies comme des protéines de transport qui utilisent l’hydrolyse de l’ATP, suivie d’un transfert temporaire d’un phosphate (Pi) sur la protéine de transport, pour provoquer un changement de conformation nécessaire au déplacement du soluté. Bien que les détails moléculaires soient peu connus, elles transfèrent le soluté en subissant un changement de conformation réversible qui expose alternativement le site de liaison du soluté sur une face de la membrane, puis sur l’autre face. Dans le cas de la Ca²⁺-ATPase (pompe à Ca²⁺), les changements de conformation sont les conséquences de la fixation des ions transportés et un transfert de phosphate (phosphorylation) transitoire sur un résidu d’aspartate (figure 6). Ceci explique l’usage de l’ATP, qui est hydrolysé en ADP et Pi.

Le prix Nobel de chimie 2003 a été décerné «pour des découvertes concernant des canaux dans les membranes cellulaires » conjointement avec Peter Agre « pour la découverte des canaux d’eau» et Roderick MacKinnon « pour des études structurelles et mécanistiques des canaux ioniques ».

Dans les pages suivantes nous allons décrire les différents transporteurs regroupés selon les fonctions physiologiques dans lesquelles ils interviennent.

Maintien des concentrations ioniques

L’ATPase Na+/K+ ou pompe NA+/K+

La concentration en K⁺ est typiquement 30 à 40 fois plus élevée à l’intérieur des cellules qu’à l’extérieur, alors que la situation est inversée pour Na⁺ (). Ces différences sont engendrées et maintenues par une ATPase de la membrane plasmique qui se comporte comme une pompe expulsant activement 3 ions Na⁺ vers l’extérieur de la cellule et important deux ions K⁺ vers l’intérieur. L’ATPase Na⁺/K⁺ diminue ainsi la concentration intracellulaire d’ions positifs. Elle est donc électrogénique (et impliquée dans la mise en place d’un potentiel électrique membranaire). Le transport de Na⁺ et K⁺ est étroitement couplé à l’hydrolyse de l’ATP pour le transfert des deux ions contre leur gradient électrochimique (transport actif primaire).

L’ATPase Na⁺/K⁺ (classe P), comme la plupart des autres pompes, est constituée de trois protéines étroitement liées (sous-unités α,β,λ, respectivement d’un poids moléculaire de 110 kDa, 40 kDa et 8 kDa). Son mécanisme moléculaire de transport exige trois étapes :

1. fixation des ions à haute affinité,
2. transfert des ions au travers de la membrane, et
3. réduction d’affinité qui permet la libération des ions.

Ce dynamisme est engendré par la fixation de l’ATP et son hydrolyse subséquente, qui se traduit par une phosphorylation transitoire du transporteur sur le résidu aspartate 369 (comme montré pour la Ca²⁺-ATPase dans l’animation de la figure 6). Il est vraisemblable que l’ensemble hydrolyse/phosphorylation/déphosphorylation soit nécessaire au transport des ions. Expérimentalement il est possible d’inhiber l’ATPase Na⁺/K⁺ par l’ouabaïne, glycoside extrait de la digitale.

Le gradient Na⁺/K⁺ généré de part et d’autre de la membrane est essentiel au fonctionnement de la cellule. Il est impliqué dans diverses fonctions :

1. régulation du pH,
2. régulation du volume cellulaire,
3. transport de nutriments tels que glucose et certains acides aminés,
4. transmission du signal dans le système nerveux (potentiel d’action).

La différence de potentiel transmembranaire

La différence de potentiel transmembranaire, ou potentiel de membrane, d’une cellule animale est proche de -70mV, la face cytoplasmique étant chargée négativement par rapport à la face externe. Le potentiel de membrane est le résultat de mouvements ioniques transmembranaires. Ces mouvements sont la conséquence d’une distribution inégale de part et d’autre de la membrane des ions et macromolécules chargées (comme les glucides complexes, les nucléotides et les protéines). Cette distribution est elle- même la conséquence de transports transmembranaires actifs avec une contribution majeure de l’ATPase Na⁺/K⁺.

Dans un état « repos » c’est le mouvement de K⁺ au travers de la membrane qui prédomine, parce qu’il y a plus de canaux potassiques que de canaux sodiques ouverts. En conséquence, la valeur du potentiel de repos est essentiellement déterminée par le mouvement de K⁺. Grâce à sa concentration intracellulaire très élevée, le K⁺ sort de la cellule en polarisant la face cytoplasmique négativement par rapport à la face externe. Le potentiel ainsi créé s’oppose au mouvement suivant de K⁺ au travers de la membrane, c’est-à-dire que le gradient électrochimique de K⁺ diminue. Sans la présence de Na⁺, le potentiel atteint la valeur de -90mV (potentiel d’équilibre du potassium), valeur pour laquelle il y a équilibre entre les deux forces (gradient électrochimique du potassium nul). Cependant, le potentiel de membrane créé par le K⁺, induit une augmentation considérable du gradient électrochimique du Na⁺ ce qui provoque un flux entrant de Na⁺ de plus en plus important. A un moment donné, <1ms, il s’installe un équilibre dynamique où il y autant de K⁺qui sortent que de Na⁺ qui entrent (courant net nul) : c’est le potentiel de membrane de repos.

Comme on le verra plus-tard, l’ouverture d’un plus grand nombre de canaux qui laissent passer le Na⁺ (le récepteur à l’acétylcholine et le canal de Na⁺ dépendant du voltage) va faire basculer les événements ; c’est la mobilité de Na⁺ qui prédomine et détermine principalement la valeur du potentiel transmembranaire (par exemple lors du potentiel d’action).

Il est important de savoir que les flux ioniques responsables du potentiel de repos n’impliquent que des quantités minimes (de l’ordre de la picomole) par rapport aux concentrations ioniques de la cellule et son environnement (de l’ordre de la millimole). A court terme, ces mouvements n’ont pas d’effets importants sur la concentration des ions, intra ou extracellulaire. En revanche, lorsqu’on inhibe l’ATPase Na⁺/K⁺ par de l’ouabaïne, la cellule perd progressivement (plusieurs minutes) son potentiel de membrane et son volume augmente à la suite d’un gain net en ions intracellulaires. Une part considérable (25 à 50%) de l’ATP cellulaire disponible sert à maintenir les gradients de concentration d’ions à travers la membrane plasmique et les membranes intracellulaires.

Les cellules animales maintiennent des concentrations intracellulaires très faibles de Ca²⁺ (). Comme on le verra plus tard, les ions Ca²⁺ sont étroitement impliqués dans les voies de signalisation commandant la contraction musculaire, l’exocytose et l’activation de divers types cellulaires en réponse à un stimulus extérieur (exemple des lymphocytes T). Les ATPases Ca²⁺ (classe P) sont des protéines de poids moléculaire d’environ 110kDa. Elles sont situées dans la membrane plasmique mais aussi dans la membrane du réticulum endoplasmique (réticulum sarcoplasmique pour les cellules musculaires ou l’ATPase Ca²⁺ représente 90% des protéines membranaires). Les ATPases Ca²⁺ sont différentes selon leur localisation comme le montre l’utilisation d’inhibiteurs spécifiques. Par exemple, l’ATPase Ca²⁺ du réticulum endoplasmique, spécifiquement inhibée par la thapsigargine, est, par ailleurs, régulée par une petite protéine membranaire (6kDa) qui s’assemble en homopentamère, le phospholamban.

A l’intérieur du réticulum endoplasmique la concentration en Ca^{2 +} libre est tamponnée par la calciréticuline, une protéine qui fixe 20 ions Ca^{2 +} par molécule.

D’un point de vue structure/fonction, cette ATPase ressemble beaucoup à l’ATPase Na⁺/K⁺ mais elle est sélective du Ca²⁺. Son activité – déclenchée par l’hydrolyse d’ATP, suivie par une phosphorylation/déphosphorylation de l’acide aspartique 351- se traduit par le passage simultané de deux ions Ca²⁺.

le fonctionnement de la Ca²⁺-ATPase de la membrane du réticulum sarcoplasmique (SERCA). [pdf]