Imaginez un trouble génétique qui fait perdre à un individu la capacité de digérer les aliments, de produire des larmes, de transmettre des signaux nerveux et d’éliminer l’infection bactérienne. Chacun de ces divers symptômes peut être causé par la perte d’une seule fonction cellulaire: le transport intracellulaire des vésicules. Dans le transport vésiculaire, les sacs fermés par membrane lipidique, ou vésicules, transportent des fluides contenant à la fois de petites et de grandes molécules entre l’espace extracellulaire et les organites cellulaires internes.
Comme les pompes à protéines, le transport vésiculaire est un processus de transport actif qui utilise des molécules d’énergie cellulaire telles que l’ATP pour alimenter le transport de molécules d’un endroit à un autre dans les organismes vivants. Contrairement aux pompes à protéines membranaires qui transportent de petites molécules individuellement, les vésicules transportent des volumes importants de fluide cellulaire et de matériaux en groupe. Les organismes vivants utilisent des vésicules pour diverses fonctions, notamment la libération de molécules spéciales telles que des enzymes digestives, l’internalisation de gros objets tels que des particules de LDL contenant du cholestérol et la lutte contre l’infection en engloutissant des bactéries. Trois voies de transport vésiculaire sont l’exocytose, l’endocytose et le transport intracellulaire.
Dans l’exocytose, une cellule délivre des molécules spécifiques, des fluides et de gros matériaux au fluide à l’extérieur de la cellule. Le terme exocytose dérive du déplacement à l’extérieur (« exo-« ) de la cellule (« -cyto-« ) par un processus (« -osis »). L’exocytose commence lorsque des vésicules spécialisées à l’intérieur d’une cellule se déplacent vers la membrane plasmique. Les vésicules exocytaires fusionnent avec les lipides de la membrane plasmique, créant une ouverture vers l’espace extracellulaire. Le contenu interne des vésicules exocytaires est libéré dans le liquide extracellulaire tandis que le contenu des membranes vésiculaires fait partie de la membrane cellulaire externe.
L’exocytose délivre des molécules spéciales à des emplacements cibles à l’extérieur de la cellule. Chez l’homme, les cellules spécialisées sécrètent des enzymes digestives pour l’administration à l’estomac et à l’intestin grêle et les cellules des glandes endocrines sécrètent des hormones dans le sang pour l’administration aux organes cibles. Étant donné que les membranes des vésicules exocytaires fusionnent dans la membrane plasmique, de nouvelles molécules lipidiques et protéines de la membrane plasmique sont délivrées par exocytose pour agrandir la cellule ou améliorer sa fonction. En réponse aux signaux d’insuline, de nouveaux transporteurs de glucose sont synthétisés et ajoutés aux membranes plasmiques par exocytose de vésicules contenant les nouvelles protéines porteuses.
Dans l’endocytose, les cellules intériorisent une petite section de la membrane plasmique pour engloutir des molécules et de grosses particules, y compris des microorganismes, en délivrant le contenu aux organites cellulaires. Le terme endocytose signifie prendre à l’intérieur (« endo ») la cellule par un processus. Deux formes majeures d’endocytose existent : la phagocytose et la pinocytose. Une forme spécialisée de pinocytose, l’endocytose médiée par les récepteurs, est vitale pour le bon fonctionnement de toutes les cellules.
Pendant la phagocytose (« phago » = manger), la membrane plasmique s’étend vers l’extérieur et s’enroule autour d’un gros objet tel qu’une cellule bactérienne vivante. Les couches qui s’étendent enveloppent l’objet et fusionnent pour former une grande vésicule. La vésicule nouvellement formée se trouve à l’intérieur de la membrane plasmique d’origine et peut se déplacer à l’intérieur de la cellule jusqu’à sa destination cible. Les vésicules phagocytaires fusionnent généralement en lysosomes pour la dégradation du contenu. La phagocytose est un processus spécialisé effectué par certains microorganismes ou un petit sous-ensemble de cellules dans des organismes complexes. Chez l’homme, seuls les globules blancs effectuent une phagocytose, éliminant les bactéries et autres minuscules organismes infectieux du corps.
Contrairement à la phagocytose, la pinocytose (« pino » = boire) se produit dans toutes les cellules. Plutôt que d’engloutir de gros objets, les vésicules pinocytaires internalisent de petits volumes de liquide extracellulaire et de molécules associées. La pinocytose remplit deux fonctions cellulaires importantes. Premièrement, des ions et des molécules importants tels que le fer, le cuivre et les particules contenant du cholestérol sont délivrés aux sites cellulaires internes par pinocytose. Deuxièmement, la pinocytose élimine les composants de la membrane plasmique qui ne sont plus nécessaires ou souhaités. Lorsque les signaux cellulaires initient l’élimination de protéines ou de lipides membranaires spécifiques, des vésicules pinocytaires se forment autour de la section membranaire, internalisant les matériaux pour le stockage ou la dégradation. Pour éviter l’accumulation excessive de membrane dans les cellules à taux de sécrétion élevés, les vésicules pinocytaires peuvent internaliser des segments de membrane à un taux élevé pour équilibrer la sortie et l’entrée de la membrane lipidique et des fluides.
L’endocytose médiée par les récepteurs est une forme de pinocytose hautement régulée. Les protéines réceptrices intégrées dans la membrane plasmique se lient à des molécules extracellulaires spécifiques et signalent l’internalisation. Les protéines cytoplasmiques aident fréquemment à la formation de vésicules endocytaires pendant l’endocytose médiée par les récepteurs, formant un manteau de protéines autour de la vésicule. Les particules de LDL contenant du cholestérol pénètrent dans les cellules par liaison aux récepteurs et entrée régulée. De plus, certains virus envahisseurs ont évolué pour exploiter les voies endocytaires médiées par les récepteurs, pénétrant dans les cellules en se fixant aux protéines membranaires des récepteurs. Une fois à l’intérieur, les virus utilisent les enzymes et les structures cellulaires pour se reproduire et se propager, tuant parfois la cellule hôte dans le processus.
Les vésicules endocytaires et exocytaires voyagent à l’intérieur des cellules entre les organites cibles et la membrane plasmique. D’autres vésicules intracellulaires voyagent dans tout le système endomembranaire. Les vésicules internes voyagent à l’aide d’un système de transport intracellulaire. Les vésicules se fixent aux protéines qui se déplacent le long d’un réseau de cytosquelette à travers la cellule. Les protéines cytosquelettiques comprenant un réseau « système ferroviaire » permettent un transport rapide et dirigé à travers les cellules.
Un mouvement rapide et ciblé des vésicules est nécessaire pour le fonctionnement normal des cellules. Les cellules nerveuses étendues, telles que celles situées entre une main humaine et la colonne vertébrale ou le cerveau, doivent transporter rapidement des vésicules sur de longues distances. De nombreuses cellules du corps humain stockent des vésicules sécrétrices spéciales, qui se déplacent rapidement à la surface cellulaire pour livrer leur contenu à l’espace extracellulaire en réponse à des signaux spécifiques. Par exemple, des vésicules spéciales contenant une enzyme appelée catalase sont transportées à la surface de la cellule pour combattre l’infection en réponse à une blessure telle qu’une coupure. Lorsque du peroxyde d’hydrogène est versé sur une plaie, les enzymes catalases sécrétées produisent de l’oxygène gazeux, formant des bulles de gaz.
Endocytose et exocytose
Cette animation démontre une endocytose et une exocytose.