Transport en vrac

Imaginez que vous soyez un macrophage : un globule blanc impitoyable qui s'infiltre, telle une amibe, à travers les tissus du corps, à la recherche d'agents pathogènes, de cellules mortes ou mourantes, et d'autres indésirables. Lorsque vous rencontrez l'un de ces éléments, votre tâche n'est pas seulement de le détruire, mais de le dévorer en entier. (Scrontch !)

Cette annihilation totale peut paraître un peu excessive, mais elle a une double utilité. Tout d’abord, elle permet de récupérer de précieuses macromolécules à destination du corps. Ensuite, dans le cas d'agents pathogènes inconnus, le macrophage sera capable d'exhiber des fragments de ce dernier à sa surface. Cette présentation avertit d'autres cellules immunitaires de la présence de l'organisme pathogène et déclenche une réponse immune.

Mais, revenons en arrière. Comment un macrophage "mange-t-il" un agent pathogène ou un débris cellulaire ? Dans les parties précédentes, on a évoqué la manière dont les ions et les petites molécules, telles que les sucres et les acides aminés, peuvent entrer et sortir de la cellule par le biais de canaux et de transporteurs. Les canaux et les protéines de transport laissent facilement passer certaines petites molécules à travers la membrane, mais ils sont trop petits (et trop tatillons sur ce qu'ils transportent) pour laisser une cellule attraper autre chose, comme une bactérie entière.

À la place, les cellules ont besoin de mécanismes de transport en vrac, grâce auxquels de grandes particules (ou d'importantes quantités de particules plus petites) sont déplacées à travers la membrane cellulaire. Ces mécanismes consistent à enfermer les substances à transporter dans leurs propres petites sphères de membrane, qui peuvent ensuite bourgeonner ou fusionner avec la membrane pour faire traverser la substance. Par exemple, un macrophage engloutit comme dîner un organisme pathogène en étendant ses "bras" membranaires autour de lui et en l'enfermant dans une sphère membranaire, appelée vacuole alimentaire (où il sera ensuite digéré).

Les macrophages constituent un exemple frappant de transport en vrac, et la majorité des cellules de votre corps n’engloutissent pas des micro-organismes entiers. Cependant, la plupart des cellules disposent de certains types de mécanismes de transport en vrac. Ces mécanismes permettent aux cellules d'obtenir des nutriments à partir de leur environnement, "d'attraper" de manière sélective certaines particules du liquide extracellulaire, ou de libérer des molécules de signalisation pour communiquer avec leurs voisines. Tout comme les processus de transport actif qui déplacent les ions et les petites molécules par le biais de transporteurs, le transport en vrac est un processus qui nécessite beaucoup d'énergie.

Ici, on va examiner les différents modes de transport en vrac : la phagocytose, la pinocytose, l'endocytose par récepteurs interposés, et l'exocytose.

L'endocytose (endo = interne, cytose = mécanisme de transport) est un terme général pour les différents types de transport actif qui déplacent les particules vers une cellule en les enfermant dans une vésicule constituée à partir de membrane plasmique.

Il existe des variations de l'endocytose, mais toutes suivent le même processus de base. Tout d'abord, la membrane plasmique des cellules s'invagine (se replie sur elle-même), formant une poche autour d'une ou plusieurs particules. Ensuite, la poche se pince sous l'action de protéines spécialisées, piégeant la particule dans la vésicule ou la vacuole nouvellement créée à l'intérieur de la cellule.

L'endocytose peut encore être divisée selon les sous-catégories suivantes : la phagocytose, la pinocytose et l'endocytose par récepteurs interposés.

La phagocytose (littéralement, la "consommation de cellule") est une forme d’endocytose où de grandes particules, telles que des cellules ou des débris cellulaires, sont transportées dans la cellule. On a déjà abordé un exemple de phagocytose au début de l'article, car c'est le type d'endocytose utilisé par le macrophage pour engloutir un agent pathogène.

Les amibes, des eucaryotes unicellulaires, ont aussi recours à la phagocytose pour chasser et manger leur proie. Ou du moins, elles tentent de le faire. La série d’images ci-dessous montre une amibe frustrée qui essaye de phagocyter une levure qui est juste un peu trop grosse pour elle.

Une fois qu'une cellule a réussi à engloutir une particule cible, la poche qui la contient va se pincer au niveau de la membrane, formant un compartiment membranaire ou vacuole alimentaire. Cette dernière fusionnera plus tard avec un organite nommé lysosome. Il s'agit du "centre de recyclage" de la cellule. Les lysosomes disposent d'enzymes qui décomposent la particule internalisée en ses constituants de base (tels que les acides aminés et les sucres), qui peuvent ensuite être utilisés par la cellule.

La pinocytose (littéralement, “le fait de boire pour une cellule”) est une forme d’endocytose où une cellule absorbe de petites quantités de fluide extracellulaire. La pinocytose a lieu chez de nombreux types cellulaires et se déroule en permanence, la cellule prélevant encore et encore des échantillons de liquide environnant afin d'en extraire les éléments nutritifs et les autres molécules qui pourraient s'y trouver. Le matériel capté par pinocytose est contenu dans de petites vésicules, bien inférieures en taille aux grandes vacuoles alimentaires générées par la phagocytose.

L'endocytose à récepteurs est une forme d'endocytose où les récepteurs de la surface cellulaire sont utilisés pour capturer une molécule cible spécifique. Les récepteurs, qui sont des protéines transmembranaires, se regroupent dans des régions de la membrane plasmique qualifiées de puits mantelés (ou recouverts). Ce nom provient d'une couche de protéines, appelées protéines du manteau, qui se trouvent du côté cytoplasmique du puits. La clathrine, représentée dans le schéma ci-dessus, est la protéine de structure du manteau la plus étudiée${}^2$‍.

Lorsque les récepteurs se lient à leur molécule cible, l'endocytose est déclenchée, et les complexes récepteurs/molécules sont transportés à l'intérieur de la cellule dans une vésicule. Les protéines du manteau participent à ce processus en conférant à la vésicule sa forme arrondie et en l'aidant à bourgeonner à partir de la membrane. L'endocytose à récepteurs permet aux cellules de capter, dans le liquide extracellulaire, de grandes quantités de molécules qui sont relativement rares (présentes en faibles concentrations)${}^{2,3}$‍.

Bien que l'endocytose à récepteurs soit destinée à importer des substances utiles dans la cellule, d'autres particules moins amicales peuvent emprunter cette voie. Le virus de la grippe, la diphtérie ainsi que la toxine cholérique utilisent tous des voies d’endocytose par récepteurs interposés afin de pénétrer dans les cellules.

Supposons qu'un certain type de molécules soit prélevé du sang grâce au processus d'endocytose à récepteurs. Que se passerait-il si le récepteur de cette molécule était manquant ou défectueux ?

Les cellules doivent capter certaines molécules, comme les nutriments, mais elles ont aussi besoin de libérer d'autres molécules, telles que des protéines de signalisation ou des déchets, dans l'environnement extérieur. L'exocytose (exo = externe, cytose = mécanisme de transport) est une forme de transport en vrac dans laquelle les matériaux sont transportés de l'intérieur vers l'extérieur de la cellule dans des vésicules membranaires qui fusionnent avec la membrane plasmique.

Certaines de ces vésicules proviennent de l'appareil de Golgi et contiennent des protéines produites spécifiquement par la cellule pour être libérées vers l'extérieur, telles que des molécules de signalisation. D'autres vésicules contiennent des déchets dont la cellule a besoin pour se débarrasser, comme les restes de digestion d'une particule phagocytée.

Ces vésicules sont transportées au bord de la cellule, où elles peuvent fusionner avec la membrane plasmique et libérer leur contenu dans l'espace extracellulaire. Certaines vésicules fusionnent complètement avec la membrane et sont incorporées dans celle-ci. D'autres fusionnent partiellement avec cette dernière (modèle du "baiser volé" ou "kiss-and-run"), juste assez pour libérer leur contenu ("embrasser" la membrane) avant de se pincer à nouveau et de retourner à l'intérieur de la cellule${}^4$‍.