Les sites et mécanismes d’absorption Physiologie de l’entérocyte ECOLE NATIONALE VETERINAIRE T O U L O U S E Les sites et mécanismes d’absorption Physiologie de l’entérocyte P.L. Toutain Update sept 2008

Les sites d’absorption

Site d’absorption et vidange gastrique Estomac Surface Débit sang (L/min) 1 m² 0.15 200 m² 1.0 Chez les monogastriques, la partie proximale de l’IG est le principal site d’absorption

Sites intestinaux d’absorption Duodénum fer Proteines Lipides Sodium eau sucres Jéjunum Acides biliaires Iléon Cobalamine

Adaptations anatomiques et physiologiques de l’intestin à l’absorption

Taille et surface des segments du tube digestif Surface d’absorption (m²) 0.07 0.02 0.11 0.09 60 0.05 0.15 0.015 Longueur cm 15-20 25 300 60 10 150 20 Diamètre (cm) 10 2.5 15 5 7 Bouche Esophage Estomac Duodenum Jéjunum iIéon Caecum Côlon Rectum

Amplification de la surface: Valvules, villosités et microvillosités de l’intestin

Villosités et microvillosités de l’intestin

Structure de l’épithélium en fonction du site du tube digestif

L’ entérocyte L’entérocyte est la cellule intestinale dédiée à l’absorption Ils forment un épithélium qui ne possède qu’une couche de cellule Cette monocouche est portée par la lamina propria qui contient les vaisseaux sanguins et lymphatiques

Villosités et entérocyte avec ses microvillosités Absorptive cell Villus Jonctions sérrées Desmosome Mitochondries Rough endoplasmic reticulum Intercellular space Cellule en goblet Canal lymphatique Capillaires Arteriole Venule

L’ entérocyte: cycle cellulaire Les entérocytes sont formés continuellement dans les cryptes de Lieberkühn et migrent au sommet des villosités en 2-5 jours Ensuite ils desquament dans la lumière intestinale

Microvillosités & Glycocalyx

Microvillosités et glycocalyx Absorptive epithelial cells Basal lamina Cell membrane Microvillus Actin filaments Mycosin filament Terminal web Microvilli 5µm Glycocalyx :filaments de polysaccharides

Le glycocalyx Glycocalyx Matériel fibrillaire riche en glycoprotéines recouvrant la membrane apicale des entérocyte Très adhérent à la cellule (contrairement au mucus) Tamis moléculaire dans lequel se poursuit la digestion (diffusion comme dans un gel) Cell membrane Microvillus Actin filaments Mycosin filament Terminal web Glycocalyx : filaments de polysaccharides

Le glycocalyx Matériel fibrillaire riche en glycoprotéines recouvrant la membrane apicale des entérocytes Très adhérent à la cellule (contrairement au mucus) Tamis moléculaire dans lequel se poursuit la digestion (diffusion comme dans un gel)

Absorption

Absorption intestinale: voies de passage cellulaires Voie paracellulaire Une barrière: les jonction serrées Eau , Cl- Petites molécules hydrosolubles Voie transcellulaire Multiples mécanismes de passage

Passage paracellulaire Voir la diaporama sur l’absorption de l’eau et des électrolytes

Les jonctions cellulaires trouvées dans une cellule

Absorption paracellulaire et transcellulaire de l’eau H2O H2O Jonction sérrée Na+ Diffusion passive Voie Paracellulaire Grâce au gradient local de Na+ qui est excrété de façon active sur les parois des entérocytes Voie transcellulaire Avec glucose et Na+

Passage paracellulaire: jonctions serrées La paroi de l’intestin est formée d’entérocyte collées entre-eux à leur pôle apical par des jonctions sérrées (tight junction or kiss site) de 80nm de long L’espace intercellulaire est petit et s’accroît progressivement vers la profondeur C’est dans cet espace que sont éliminés de façon active des ions Na+ créant ainsi un gradient osmotique capable de faire passer les molécules d’eau par les jonctions serrées tight junction Espace intercellulaire riche en Na+ Membrane basale

Les mécanismes de passage transcellulaire de l’entérocyte

Les mécanismes de passage transcellulaire de l’entérocyte En masse Endocytose (Pinocytose, phagocytose) Sous forme moléculaire Passif vs actif Avec ou sans l’aide d’une protéine

Transports ioniques et moléculaires

Principe de passage à travers la membrane plasmique La membrane est une bicouche lipidique dont la partie centrale est hydrophobe L’hydrophobicité de la partie centrale de la membrane empêche le passage de la plupart des molécules polaires La cellule a besoin de système de transport pour absorber (ou éliminer) des analytes polaires

Principe de passage à travers la membrane plasmique La membrane est perméable aux: Molécules non polaires Lipides solubles (stéroïdes). Molécules polaires de petite taille et non chargée comme l’eau La membranes est imperméable aux: Grosse molécules polaires (glucose). Aux Ions (Na+).

Transport à travers la membrane plasmique

Mécanismes de transport à travers les entérocytes Directement à travers la membrane Diffusion et osmose (osmose =diffusion de l’eau) En lmpliquant une protéine membranaire: Canaux (canaux ioniques) et pores (porines) Débit=107-108 ions par sec Transporteurs diffusion facilitée: uniport transport actif : symport; antiport Débit=102-104 molécules par sec Pompes Protéines qui hydrolysent l’ATP appelées ATPases Débit=102-103 ions par sec

Débits des systèmes de transfert

Canaux, pores et transporteurs Aquaporines = transport de l’eau Ionophores = transport des ions Uniport = transport d’ une seule substance Transports couplés : transport simultané de 2 analytes ou plus Symport: transport de 2 analytes dans la même direction Antiport: transport de 2 analytes en direction opposée

Les protéines de transport membranaire Figure 15-3

Mécanismes de transport à travers les entérocytes Avec besoin ou non d’énergie: Transport passif: Le long d’un gradient de concentration Ne nécessite pas d’ATP Ex: osmose; diffusion & diffusion facilitée; Transport actif Mouvement net contre un gradient de concentration Requiert directement ou indirectement de l’ ATP

La diffusion passive

Diffusion et gradient Diffusion:Mouvements browniens se faisant uniquement sous l’action des forces themodynamiques Si une membrane sépare deux compartiments, le passage par diffusion simple se fera sous l’action d’un gradient (une force) électrochimique (gradient d’origine chimique et gradient d’origine électrique)

Diffusion au travers d’une membrane Pas de consommation d’énergie Descente le long d’un gradient de concentration Pas de transporteur Pour des molécules lipophiles Cinétique linéaire certains minéraux et la plupart des graisses, l’alcool

Diffusion passive de l’eau ou osmose L’eau est une molécule polaire de petite taille (18 daltons) Grâce à cette petite taille elle peut diffuser directement à travers la membrane La membrane de l’ entérocyte est semi-perméable et elle laisse passer l’eau par diffusion c’est-à-dire par osmose Rem: l’eau peut également passer par des pores nommés aquaporines dans certains tissus notamment dans le côlon pour ce qui est du tube digestif

Diffusion passive impliquant des canaux, des pores ou des transporteurs spécialisés

Diffusion passive facilitée par des canaux ou des pores

Canaux et porines Certains protéines agissent comme des pores passifs permettant la diffusion des ions (canaux ioniques) ou de petites molécules non ionisées (eau,nucléotides, polypeptides ) avec une capacité de 107 à 108 molécules par seconde et selon leur gradient Ne demande pas d’énergie car l’analyte suit un gradient de concentration (molécule non chargée) ou un gradient ionique (molécules chargées)

Canaux ioniques Canaux hydrophiles Ouverts ou fermés Durée d’ouverture très brève (millisecondes) qui laisse passer des paquets d’ions (milliers d’ions) Ne nécessite pas d’énergie Sélectivité Certains laissent passer plusieurs ions (Na+ et K+) D’autres forment un canal aqueux central avec un filtre de sélectivité

Pores: aquaporines Canaux qui permettent le passage passif et sélectif de l’eau (par exemple dans le côlon) mais pas de celui des ions et des autres substances

structure hypothétique d’une aquaporine HOOC Lipid bilayer Intracellular H2N Extracellular C As we have just heard in the previous presentation, one way that water may arrive into the growing cell is along the transmembrane pathway. This movement is now understood to take place principally through a family of membrane integral proteins called aquaporins. It has been proposed that these proteins have this arrangement in which a ring of amino acids forms a central pore which allows the hydraulic movement of water molecules across the membrane. In addition, many characterised aquaporins also have a cystiene motif in close proximity to this pore which appears to bind to mercury and one or two other agents and in some way blocks the movement of water through these channels. The importance of this is that we can use mercurial agents to examine the importance of transmembrane movement across the plasmalemma and of personal interest to me, how water is taken up by the growing cell. Adapted from Jung et al. 1994. Journal of Biological Chemistry. 269:14648

Diffusion passive facilitée par des transporteurs (perméases)

Diffusion facilitée Mouvement de diffusion d’une molécules à travers une membrane grâce à une protéine de transport encore appelée perméase Le transporteur (uniport) joue un rôle analogue à celui d’un récepteur (spécificité) Mouvement dans le sens du gradient de concentration qui ne nécessite pas d’énergie Mécanisme utilisé par les molécules insolubles dans les lipides (pas de diffusion passive) et trop grosse pour passer par des pores (ex: glucose Ex: glucose, fructose, galactose

Diffusion facilitée par un uniport modèle Ping Pong La protéine de transport (uniport) en se transconformant sous l’action du ligand assure le rôle d’une navette entre les deux faces d’une membrane; elle crée un passage hydrophile dans la zone hydrophobe de la membrane Transport lent mais prolongé

Transporteur vs. canal ou porine La différence entre un canal et un transporteur est dû au ligand qui entraîne un changement conformationnel de la protéine de transport (récepteur) qui va ainsi transférer le ligand Le transporteurs va osciller entre 2 conformation stéréochimique (modèle ping pong) Le transporteur fonctionne un peu à la à la manière d’un tourniquet le ligand étant la « main » qui fait tourner le tourniquet alors que le canal serait plutôt l’analogue d’un tunnel

Implication de la diffusion facilitée dans l’absorption du glucose Diffusion facilitée à la membrane apicale (Glut-5) Diffusion facilitée à la membrane basale (GLUT-2) Rem: l’absorption du glucose à la membrane apicale implique également des mécanisme actif de symportage avec le Na+ (SGLT)

Diffusion facilitée: le glucose Les transporteurs dédiés au transport passif facilité du glucoses sont nommés GLUT (GLUT5 et GLUT2) (Les transporteurs pour le transport actif du glucose sont les SGLT)

Glucose: transport passif (facilté) par les transporteurs GLUT vs Glucose: transport passif (facilté) par les transporteurs GLUT vs. cotransportage secondairement actif par le transporteur SGLT-1 Na + Fructose; Glucose Galactose Lumen of also glucose, intestine Galactose Glucose Intestinal Na+ SGLT-1 GLUT-5 Epithelial cell Brush border Galactose Glucose Na+ Fructose Na+ 2K+ GLUT-2 Galactose Glucose ATP 3Na+ 2K+ contraluminal membrane ADP + Pi 2K+ 3Na+ to capillaries 3Na+ 2K+ = facilitated diffusion = Na,K-ATPase = Na + - dependent co - transport

Comparaison du transport du glucose par diffusion passive ou par diffusion facilitée 3 caractéristiques Plus grand débit que la diffusion passive Saturabilité Spécificité Figure 15-5

Transport actif

Transport actif Transport d’ions ou de molécules non chargées contre leur gradient (électro)chimique et nécessitant de l’énergie (ATP)

Les 2 types de transport actifs Primaire (direct) Pompes membranaires ATP-dépendantes qui demandent une source directe d’énergie pour fonctionner Secondaire (indirect) mouvement d’une substance contre son gradient électrochimique grâce à un cotransportage (symport ou antiport) avec un autre analyte dont le gradient est maintenu par ailleurs de façon active

Transport actif primaire (direct)

transport actif direct La protéine de transport est aussi une ATPase

Exemple de transport actif direct : la pompe Na+/K+ La pompe située sur la basale de l’ entérocyte élimine activement du Na+ (qui va sortir de la cellule) contre du K+ (qui pénètre dans la cellule) Ce mécanisme crée un gradient en Na+ (faible concentration intracellulaire en Na+) ce qui fournira indirectement de l’énergie au transport apicale d’autres molécules dont le transport est couplé à celui du Na+ pour entrer dans l’entérocyte

Transport actif direct: Ca++ L’hydrolyse de l’ATP est nécessaire au fonctionnement du transporteur. La molécule ou l’ion se lie au site de reconnaissance du transporteur . La liaison stimule la phosphorylation de la protéine de transport qui est une ATPase. rupture de l’ ATP qui est lié à une sous unité du transporteur La protéine de transport subit une transconformation qui va conduire à relacher le ligand de autre côté de la membrane.

Caractéristiques de l’ absorption active Transporteurs membranaires protéiques Remontée contre un gradient de concentration Affinité et sélectivité des transporteurs Couverture d’énergie avec de l’ATP Cinétique saturable de type Michaelis-Menten Ex: Na+, K+, acides aminés

Transport actif secondaire

Transport actif secondaire (indirect): L’exemple du glucose Le transport du glucose est couplé à celui du Na+ (pôle apical, bordure en brosse) L’énergie nécessaire à ce co-transport permettant au glucose d’aller contre son gradient de concentration est fournie par le gradient de Na+. L’hydrolyse de l’ATP par une pompe Na+/K+ est nécessaire pour maintenir le gradient de [Na+] (pôle capillaire)

Transport actif et diffusion facilitée des glucides pôle apicale Co-transport actif secondaire Diffusion facilitée Les sucres sont exclusivement absorbés sous la forme de monosaccharides

Exemple du passage du glucose par le le symport Na+-glucose SGLT1 L’activité du transporteur SGLT1 est déterminée par la pompe Na+/K+ ATPase localisée sur la membrane basale de l’ entérocyte. Cette pompe maintient un gradient électrochimique de Na+ à travers la membrane apicale en extrudant activement du Na+ hors de la cellule au pôle basal. Le glucose ressortira au pôle basale de l’entérocyte par diffusion facilitée (GLUT2)

Glucose: cotransportage secondairement actif du glucose par le transporteur SGLT-1 Na + Glucose Galactose Lumen of intestine Galactose Glucose Intestinal Na+ SGLT-1 Epithelial cell Brush border Galactose Glucose Na+ Fructose Na+ 2K+ GLUT-2 Galactose Glucose ATP 3Na+ 2K+ contraluminal membrane ADP + Pi 2K+ 3Na+ to capillaries 3Na+ 2K+ = facilitated diffusion = Na,K-ATPase = Na + - dependent co - transport

Les mécanismes de passage transcellulaire en masse de l’entérocyte Endocytose: Pinocytose & phagocytose

Pinocytose/phagocytose « buvée cellulaire » Pinocytose médiée par un récepteur Phagocytose « ingestion cellulaire »

Endocytose : Permet à de grosses particules, des structure micellaires (issues de la digestion des lipides) ou des macromolécules d’enter dans la cellule. Phagocytose (absorption d’une grosses particules comme les bactéries) et pinocytose (absorption de liquide contenant des solutés comme pour de grosses protéines) vésicule pinocytaire

Absorption intestinale: Pinocytose Passage transcellulaire en masse de liquide (Bulk transport) qui nécessite de l’énergie Absorption des immunoglobulines chez le nouveau-né Les immunoglobulines sont trop grosses pour passer par des transporteurs