INVI4 1
Schéma INVI 4 – Le modèle moléculaire de la membrane plasmique
L’idée de membrane cellulaire est pressentie dès 1855 par les botanistes suisses Karl Wilhelm von NÄGELI (1817-1891) et Carl Eduard CRAMER (1831-1901). Elle est alors pensée comme une sorte de barrière sélective = semi-perméable permettant à la cellule d’échanger certains éléments avec son milieu.
En 1899, le biologiste britannique Charles Ernest OVERTON (1865-1933) étudie la perméabilité de cellules d’algues à diverses substances. Il remarque que les substances lipophiles* = hydrophobes* pénètrent beaucoup plus vite dans les cellules que les substances hydrophiles* = lipophobes*. Il en déduit que la membrane plasmique est fondamentalement constituée de lipides…
*hydrophile = ayant de l’affinité pour l’eau, soluble dans l’eau ; lipophobe = qui « fuit » les lipides ;
*hydrophobe = qui « fuit » l’eau ; lipophile = ayant de l’affinité pour les lipides, soluble dans les lipides ;
Au début des années 1920, si tous les biologiques s’accordent pour dire que la membrane plasmique est bien constituée de lipides, en revanche leur organisation les uns par rapport aux autres fait débat et de nombreuses hypothèses sont alors discutées (certaines monocouches, d’autres bicouches, avec des lipides jointifs ou non ; dans les modèles bicouches se pose aussi la question de savoir quelle distance sépare les deux couches, ce qui augmente encore le nombre d’hypothèses !) :
D’autres expériences et la possibilité d’observer la membrane au microscope électronique ont depuis permis de trancher et d’affiner les connaissances concernant la composition et la structure de la membrane plasmique !
® Comment la composition et la structure (= l’organisation) de la membrane plasmique lui permettent-elles d’être une barrière sélective entre le milieu intra- et le milieu extracellulaire ?
Savoir-faire : relier l’échelle de la cellule et celle de la molécule (exemple de la membrane plasmique)
schématiser la membrane plasmique à partir de molécules dont les parties hydrophile/lipophile sont identifiées NOM : ………
Prénom : ………
Classe : 1ère …… gpe ……
Date : …… / …… / …………
Consignes
a) Commencer par lire attentivement l’ensemble des documents proposés en gardant en tête la problématique !
b) Doc 1 et 2. Décrire l’aspect de la membrane plasmique au microscope électronique et préciser sa composition chimique.
c) Doc 1. Estimer l’épaisseur réelle de la membrane plasmique et comparer à celle de ses composants.
d) Doc 2 et 3. Expliquer pourquoi les molécules de savon adoptent les deux configurations différentes représentées dans le doc 3.
e) Doc 2 et 3. Représenter sur un schéma l’agencement des molécules du savon dans une bulle de savon se trouvant dans l’air et emprisonnant de l’air, en utilisant les représentations moléculaires proposées dans le doc 3. Remarque : souvenez- vous que pour faire des bulles vous mélang(i)ez du savon… à de l’eau avant de souffler !
f) Doc 4. Calculer la surface totale représentée par la membrane plasmique de tous les globules rouges dans chacun des échantillons ; comparer avec la surface occupée par tous les phospholipides de ces globules, étalés en monocouche, dans ce même échantillon. Que peut-on en conclure sur l’organisation de la membrane plasmique des globules rouges (que l’on pourra généraliser à toutes les cellules) ?
g) Doc 5. Quelle(s) propriété(s) de la membrane est (sont) mise(s) en évidence ici ? h) Doc 6. Quelle(s) propriété(s) de la membrane est (sont) mise(s) en évidence ici ?
i) Justifier le terme de « mosaïque moléculaire fluide » donné à la membrane plasmique.
j) Schéma-bilan : Réaliser un schéma-bilan structural et fonctionnel de membrane plasmique (en coupe transversale) permettant de montrer la composition, la structure, les propriétés et le fonctionnement de cette membrane avec un maximum de légendes.
Production attendue :
- réponses aux questions a) à i) au brouillon (ces questions sont là pour vous aider à faire un schéma le plus juste et complet possible !)
- schéma-bilan à rendre au professeur en fin de séance (les élèves doivent l’avoir réalisé en commun) Documents à utiliser : doc 1 à 6
Modalités de travail : trinôme, 1h30
Document 1 – La cellule, une structure séparée de l'extérieur par une membrane plasmique
Les différentes couleurs de la membrane plasmique mettent en évidence des zones ayant de propriétés différentes
Source : HACHETTE, 1ère, Enseignement Scientifique, 2019, p52
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Document 2 – Les phospholipides : des molécules au comportement particulier vis-à-vis de l'eau La membrane plasmique a une composition en masse d’environ :
- 40 % de lipides : principalement des phospholipides (par ex. la phosphatidylcholine) et du cholestérol ; - 52 % de protéines ;
- 8 % de glucides.
Mais, comme les lipides sont beaucoup moins denses que les autres molécules, en nombre, cela représente 1 protéine pour 100 lipides !
Les lipides membranaires sont principalement des phospholipides et du cholestérol (cf. figure ci-dessous) qui sont des molécules amphiphiles c’est-à-dire constituées de deux parties aux propriétés très différentes :
- une « tête » hydrophile et lipophobe ; - une « queue » lipophile et hydrophobe.
Source : LE LIVRE SCOLAIRE, 1ère, Enseignement Scientifique, 2019, p48
Quant aux glucides membranaires (hydrophiles), ils viennent se fixer (par des liaisons fortes) sur certains lipides et certaines protéines pour former des glycolipides et des glycoprotéines. Ces parties glucidiques se trouvent exclusivement sur la face extracellulaire de la membrane plasmique et y forment une couche appelée glycocalyx, qui assure de nombreuses fonctions cellulaires : adhérence cellulaire, rigidification de la membrane plasmique, identité et reconnaissance cellulaire…
Document 3 – Un modèle analogique, les bulles de savon
Un être vivant est essentiellement constitué d’eau : chaque côté de la membrane plasmique est en contact avec un milieu aqueux. On cherche à comprendre comment les phospholipides de le membrane plasmique sont capables de former une frontière entre deux milieux (intra- et extracellulaires) constitués essentiellement d’eau. On utilise pour cela un modèle employant du savon, composés d’ions au comportement identique à celui des phospholipides.
Sources : HACHETTE, 1ère, Enseignement Scientifique, 2019, p53 et https://www.teteamodeler.com/boiteaoutils/decouvrirlemonde/fiche128.asp
air (les gaz sont hydrophobes)
monocouche formée par les
3 à 4 nm
Document 4 – Expériences de GORTER et GRENDEL, 1925
Document 5 – Les protéines de la membrane plasmique
En observant la membrane plasmique à l’aide d’un microscope à force atomique, on peut distinguer les différentes molécules visibles en surface (que ce soit côté cytoplasme ou côté extracellulaire, la « vue » est la même) : ci-dessous, à gauche, les lipides sont en vert pâle et les protéines en orange-rouge. Les protéines sont des structures qui peuvent avoir des parties hydrophobes/lipophiles et d’autres hydrophiles/lipophobes :
Source : Prof. Dr. H.oberleithner, University Hospital Of Muenster
Source : NATHAN, 1ère, Enseignement Scientifique, 2019, p73
La plupart des protéines traversent toute l’épaisseur de la membrane plasmique.
Source : HATIER, 1ère, Enseignement Scientifique, 2019, p61
Des molécules peuvent entrer, mais aussi sortir de la
membrane plasmique. Source : HATIER, 1ère, Enseignement Scientifique, 2019, p61
On rappelle que les glucides sont hydrophiles.
Surface couverte par l’ensemble des lipides
membranaires étalés en monocouche
(en m2)
Surface externe d’un seul globule
rouge (en m2)
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Document 6 – Expérience de FRYE et EDDIN, 1970
La microscopie a une résolution très élevée mais ne permet que d’observer des cellules mortes. Les membranes plasmiques ont donc longtemps été considérées comme figées. En 1970, Larry FRYE et Michael EDDIN voulurent vérifier cette hypothèse…
Source : LE LIVRE SCOLAIRE, 1ère, Enseignement Scientifique, 2019, p56
