La membrane plasmique et les échanges

La membrane plasmique ne mesure qu'environ 5 à 10 nm d'épaisseur, et pourtant elle décide de ce qui entre dans la cellule et de ce qui en sort.

Un mur d'huile et de protéines

Verse un peu d'huile sur de l'eau : elle ne se mélange pas. La membrane plasmique est construite sur la même idée. C'est une bicouche de phospholipides : deux couches de molécules de phospholipides, chacune avec une tête qui aime l'eau, contenant du phosphate, et deux queues d'acides gras qui fuient l'eau. Les têtes sont tournées vers le liquide aqueux à l'intérieur et à l'extérieur de la cellule, et les queues se cachent au milieu. Des protéines se trouvent dans cette couche huileuse, certaines la traversant de part en part, et dans les cellules animales, du cholestérol s'y mêle aussi. Des glucides fixés aux lipides et aux protéines couvrent la surface extérieure et aident la cellule à reconnaître et à fixer des éléments.

Une perméabilité sélective

La membrane laisse passer certaines substances et en bloque d'autres : on dit qu'elle a une perméabilité sélective. Les petites molécules sans charge, comme le dioxygène et le dioxyde de carbone, glissent directement à travers le milieu huileux. C'est aussi le cas des substances solubles dans les graisses, comme les vitamines A, D, E et K. Les particules chargées, comme les ions sodium, potassium, calcium et chlorure, ne peuvent pas traverser seules le cœur huileux, pas plus que les sucres ou les acides aminés. Elles ont besoin de l'aide de protéines.

Descendre la pente : le transport passif

Ouvre un flacon de parfum dans une pièce et l'odeur se répand jusqu'à être partout. C'est la diffusion : les molécules vont de là où elles sont plus concentrées vers là où elles le sont moins, et cela ne coûte aucune énergie. La diffusion est plus rapide quand la différence de concentration est plus grande, quand la température est plus élevée, quand les molécules sont plus légères et quand la distance est courte. À l'intérieur d'une cellule, la diffusion déplace les substances dans le cytosol.

Dans la diffusion facilitée, les substances descendent toujours leur gradient, mais à travers des protéines. Les protéines canaux forment un tunnel rempli d'eau pour une sorte d'ion ou pour l'eau. Les canaux à eau s'appellent aquaporines. Les protéines porteuses saisissent une molécule, changent de forme et la libèrent de l'autre côté. Les canaux sont bien plus rapides : des dizaines de millions de molécules par seconde, contre environ mille à un million pour les porteuses.

L'osmose : l'eau en mouvement

L'osmose est la diffusion de l'eau à travers une membrane qui bloque les substances dissoutes. L'eau va vers le côté qui contient le plus de particules dissoutes, car ce côté a moins d'eau libre. Si le liquide à l'extérieur d'une cellule contient moins de particules dissoutes que l'intérieur, il est hypotonique, et l'eau entre. Un globule rouge dans de l'eau pure gonfle et peut éclater. Si l'extérieur contient plus de particules dissoutes, il est hypertonique, et l'eau sort : un globule rouge se ratatine. Dans un liquide isotonique, il n'y a pas de flux global. Une cellule végétale dans de l'eau douce n'éclate pas, car sa paroi l'en empêche. L'eau appuie contre la paroi, et cette pression de turgescence maintient la plante ferme. Sans eau, la membrane se détache de la paroi, c'est la plasmolyse, et la plante fane. Le modèle de cellule végétale ci-dessous montre la vacuole qui contient cette eau.

Remonter la pente : le transport actif

Parfois, une cellule doit déplacer une substance contre son gradient, d'une faible concentration vers une forte. Cela demande de l'énergie, en général fournie par l'ATP, et cela s'appelle le transport actif. L'exemple le plus connu est la pompe sodium-potassium. À chaque cycle, elle fait sortir trois ions sodium de la cellule et fait entrer deux ions potassium, en utilisant un ATP. Elle maintient ainsi beaucoup de sodium à l'extérieur et beaucoup de potassium à l'intérieur, et laisse l'intérieur de la cellule légèrement négatif. Les cellules nerveuses et musculaires dépendent de cette différence. L'énergie stockée dans le gradient de sodium peut ensuite faire entrer d'autres substances, comme le glucose et les acides aminés, dans la cellule : c'est le transport actif secondaire.