Traversée des membranes

Composition et structure de la membrane

La membrane plasmique qui entoure chaque cellule est composée d'environ 60% de phospholipides et de 40% de protéines.

Lipides

Les lipides qui entrent dans la composition des membranes sont dits amphipathiques parce qu'ils sont formés de molécules comportant une extrémité polaire et une extrémité non polaire ou hydrophobe. Il s'agit essentiellement :

de glycérophospholipides (glycérol substitué).
de sphingolipides (c'est-à-dire dérivés de la sphingosine qui est un alcool substitué par des acides gras et un groupe polaire). Les sphingolipides se divisent en trois classes : sphingomyélines, cérébrosides et gangliosides.
de cholestérol composé d'un noyau stérane substitué par un groupement polaire (OH) et une chaîne flexible non polaire. Le cholestérol, s'intercalant entre les autres lipides, renforce la structure de la membrane.

Ces lipides amphipathiques (glycérophospholipides et sphingolipides) s'orientent naturellement sous forme d'une bicouche : les extrémités polaires des molécules situées de part et d'autre des extrémités non polaires qui se trouvent au centre.

La fluidité de la bicouche dépend évidemment de la température, mais aussi de sa composition. Les acides gras insaturés qui forment des chaînes moins linéaires que les acides gras saturés augmentent la fluidité membranaire.

Protéines

Les protéines s'insèrent dans la bicouche lipidique, soit à l'intérieur, soit à l'extérieur, soit de part et d'autre, et dans ce cas elles sont transmembranaires.

Ces protéines constituent :

les récepteurs membranaires (glycoprotéines, le plus souvent, qui assurent les communications intercellulaires),
les structures qui assurent les échanges d'ions et de certaines molécules entre la cellule et son environnement : pompes de type Na+/K+-ATPase, canaux, «échangeurs».

Modalités du passage

Pour pénétrer dans la cellule, le médicament doit franchir la membrane cytoplasmique. Pour passer d'un compartiment dans l'autre, le médicament doit franchir une ou plusieurs membranes. Les membranes sont formées de cellules liées les unes aux autres d'une manière plus ou moins serrée. Ces cellules reposent sur une membrane basale, elle-même plus ou moins perméable aux molécules. On distingue :

le passage transcellulaire

Lorsque les cellules sont serrées les unes contre les autres, comme c'est le cas au niveau de l'endothélium des capillaires cérébraux, le médicament doit traverser les cellules elles-mêmes, c'est-à-dire la membrane cytoplasmique, pour passer d'un compartiment à l'autre.
le passage paracellulaire :

Lorsque les cellules épithéliales membranaires sont séparées les unes des autres par des jonctions plus lâches, les molécules peuvent passer par ces jonctions appelées «gap junctions». Le transfert paracellulaire d'une molécule dépend essentiellement de son poids moléculaire et de sa flexibilité.
le filtre poreux :

Certains épithéliums, comme celui du glomérule rénal, sont percés de pores, orifices qui peuvent laisser passer les molécules de taille inférieure à celui du pore. Au niveau du glomérule rénal, les molécules dont le poids moléculaire est inférieur à 68 000 peuvent théorique-ment passer, mais, plus le poids moléculaire d'une molécule approche de 68 000, plus son passage devient difficile. D'autres paramètres que le poids moléculaire (directement lié à la taille), tels que les charges ou la flexibilité, entrent aussi en ligne de compte.

Passage à travers la bicouche lipidique : Diffusion passive

Le passage à travers la bicouche lipidique se fait de façon passive, c'est-à-dire sans nécessiter d'apport d'énergie de la part de la cellule. La bicouche lipidique membranaire constitue une barrière :

imperméable aux ions Na+, K+, Cl- etc, aux molécules polaires même non chargées, c'est-à-dire non ioniques, comme le glucose, et aux protéines.
perméable aux molécules non polaires (liposolubles ou hydrophobes) de poids moléculaire faible ou moyen, ainsi qu'aux molécules présentes à l'état gazeux et aux petites molécules de faible polarité.

Diffusion passive à travers une bicouche lipidique

La migration à travers la membrane se fait de la solution la plus concentrée vers la solution la moins concentrée jusqu'à l'obtention d'un équilibre. La vitesse de passage dépend de la surface S de la membrane, des concentrations C1 et C2 de part et d'autre de la membrane et d'une constante de diffusion K essentiellement liée à sa liposolubilité et à la taille de la molécule (plus elle est petite, plus le passage est aisé).

V = K.S. (C2 - C1)

Le caractère liposoluble d'une molécule est déterminé par la mesure de son coefficient de partage entre un solvant aqueux et un solvant organique comme l'hexane. Les molécules liposolubles ou apolaires s'accumulent dans le solvant organique et les molécules polaires dans l'eau.

La polarité d'un médicament dépend de son ionisation et on distingue trois catégories :

Des molécules toujours ionisées, quelque soit le pH, par exemple celles qui comportent un ammonium quaternaire. Ces molécules, en principe, ne traversent pas la bicouche lipidique par diffusion passive.
Des molécules neutres, non ionisées, quelque soit le pH. C'est le cas des solvants organiques qui traversent facilement la bicouche lipidique. Cette affirmation doit être tempérée, notamment en ce qui concerne l'absorption par voie intestinale, du fait que celle-ci de déroule en milieux aqueux. Une molécule très lipophile mais quasi insoluble dans l'eau risque d'être mal absorbée. On en connaît de nombreux exemples. Une faible disponibilité peut être la conséquence d'une faible solubilité dans l'eau.
Des molécules dont l'ionisation dépend du pH : à l'état neutre, elles traversent la bicouche lipidique, mais pas à l'état ionisé. Les médicaments acides se dissocient en milieu basique et les bases, en milieu acide, pour se transformer en molécules ionisées. Le pKa d'un acide est le pH auquel il est dissocié à 50%. Si l'on prend l'exemple d'un médicament acide R-COOH partiellement dissocié en R-COO- + H+, la forme neutre R-COOH traverse la membrane mais pas la forme ionisée R-COO-.

Dès lors, si deux compartiments séparés par une membrane sont à des pH différents, l'équilibre des concentrations d'un médicament R-COOH de part et d'autre de la membrane va être déplacé et le médicament R-COOH va s'accumuler dans le compartiment le plus basique où il se dissocie.

Passage transmembranaire d'un médicament de type acide en fonction du pH

La fixation des médicaments aux protéines plasmatiques, notamment l'albumine, qui peut aller de 0% à 99% modifie leur passage à travers les membranes. A l'état libre, c'est-à-dire non fixés aux protéines plasmatiques, les médicaments liposolubles, s'il existe un gradient de concentration favorable, traversent les membranes lipidiques, alors que les médicaments liés aux protéines plasmatiques comme l'albumine (ou aux protéines tissulaires) ne les traversent pas.

Passage transmembranaire d'un médicament en fonction de sa liaison aux protéines

L'albumine est une protéine de 68000 daltons de poids moléculaire, présente dans le plasma à une concentration d'environ 50 g/L, synthétisée par le foie et dégradée essentiellement par l'endothélium vasculaire. Sa demi-vie plasmatique est d'environ 20 jours. Outre son rôle dans l'établissement de la pression oncotique, elle fixe diverses molécules endogènes et de nombreux médicaments. On distingue sur la molécule d'albumine six sites de fixation différents ayant une affinité particulière pour des molécules déterminées.

Cet équilibre médicament-protéine [MP] est réversible et, contrairement à ce que montre le schéma précédent où on a un équilibre statique, dans l'organisme, du fait de la circulation sanguine, il existe un équilibre dynamique, c'est-à-dire changeant.

La pénétration (ou la fixation) de certains médicaments dans les éléments figurés du sang, principalement les globules rouges, peut jouer un rôle comparable à celui de l'albumine.

Passage à travers les structures proteiques membranaires

Le passage à travers les structures protéiques membranaires s'effectue par transport actif, c'est-à-dire utilisant l'énergie fournie par le métabolisme cellulaire.

Transport actif direct assuré par les pompes

Le transport actif nécessite un apport d'énergie, généralement fourni par l'ATP. La pompe Na+/K+-ATPase, Mg2+/dépendante, utilise l'énergie de l'ATP pour repolariser la cellule en faisant sortir trois ions Na+ et entrer deux ions K+, ce qui crée une différence de potentiel entre le milieu intracellulaire et le milieu extracellulaire. Il existe d'autres pompes: une pompe Ca2+-ATPase localisée au niveau de la membrane cytoplasmique et au niveau du reticulum endoplasmique et une pompe H+/K+-ATPase.

Une protéine membranaire particulière, la P-glycoprotéine, ou P170 parce que son poids moléculaire est de 170 Kd, utilise, à la manière de la pompe Na+/K+-ATPase, l'énergie apportée par l'hydrolyse de l'ATP pour chasser certains médicaments hors de la cellule. Cette glycoprotéine, appelée aussi «Multi drug transporter», protège la cellule contre les xénobiotiques mais, comme elle est exprimée dans la plupart des cellules cancéreuses, elle peut expulser les médicaments antinéoplasiques hors des cellules cancéreuses, expliquant ainsi leur résistance à la chimiothérapie qui est appelée MDR « Multi drug resistance ». Des médicaments tels que le vérapamil ou la quinidine inhibent la P-glycoprotéine mais ont d'autres propriétés rendant leur utilisation dans ce but difficile. Un dérivé de la ciclosporine, ne possédant pas d'activité immunosuppressive, inhibe à faible dose la P-glycoprotéine et pourrait s'opposer à la résistance de tumeurs vis-à-vis de certains antinéoplasiques. La P-glycoprotéine présente au niveau de la barrière hémato-encéphalique réduit la pénétration de certains médicaments dans le cerveau. Elle peut également réduire leur absorption digestive.

Expulsion d'un médicament hors d'une cellule

Divers microorganismes possèdent au niveau de leur membrane, outre des équivalents de la P-glycoprotéine, des pompes proton-dépendantes qui chassent hors de leur cytoplasme des molécules toxiques pour elles et vis-à-vis desquelles ils deviennent résistants.

Transport actif indirect

L'énergie nécessaire à la diffusion facilitée, ou transport actif secondaire, est apportée par les gradients ioniques de part et d'autre de la membrane. Elle ne s'effectue pas à travers la bicouche lipidique mais à travers les structures protéiques.

Elle ne concerne qu'un faible nombre de substances :

des molécules impliquées dans le métabolisme, comme le glucose, les acides aminés, certains médiateurs et les médicaments de structure chimique proche. L'énergie nécessaire à leur transport peut être apportée par le gradient sodium.

La cinétique de passage est de type Michaelis Menten avec une vitesse maximum et possibilité de compétition entre molécules voisines. Lorsque le sodium et le substrat traversent la membrane dans le même sens, le transport est dit de type «symport» et de type «antiport» lorsqu'ils la traversent en sens opposé.
des peptides formés de 2 ou 3 acides aminés sont partiellement absorbés au niveau du tube digestif et réabsorbés au niveau du néphron grâce à des transporteurs spécifiques utilisant comme source d'énergie, le gradient H+. Ces transporteurs interviennent dans l'absorption digestive de médicaments ayant une structure chimique de type peptidique comme les b-lactamines. Un polypeptide comme l'insuline peut franchir la barrière hémato-encéphalique mais on n'en connaît pas les mécanismes responsables.
des ions comme Na+, K+, Ca2+, Cl-, dont les transports membranaires se font grâce à des canaux et des échangeurs :
- canaux dont l'ouverture et la fermeture dépendent soit de la différence de potentiel intra/extracellulaire (s'ouvrant lors de la dépolarisation), soit de la présence de récepteurs qui peuvent être activés ou inhibés par divers médiateurs
- échangeurs, Na+/Ca2+ par exemple.

Transport par exocytose et endocytose

L'exocytose consiste en la sortie hors de la cellule de molécules contenues dans des vésicules qui, après être venues se fondre à la membrane plasmique, libèrent leur contenu à l'extérieur. C'est le mode de libération des médiateurs.

L'endocytose consiste en l'absorption par une cellule d'une molécule extracellulaire. Après son inclusion dans une vésicule formée par une invagination de la membrane plasmique, la molécule pénètre dans le cytoplasme. C'est le processus utilisé par l'hépatocyte pour capter, par exemple, les lipoprotéines et la transferrine.

Des oligonucléotides formés de 10 à 20 unités, comme ceux qui sont utilisés en thérapie antisens (oligonucléotides complémentaires du mRNA auquel ils se fixent) pénètrent dans les cellules par divers mécanismes mais essentiellement par endocytose. En fait, un oligonucléotide pénètre mieux dans une cellule qu'un nucléotide isolé.

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