pH intracellulaire - Intracellular pH

Gradient de pH à travers une membrane, avec des protons voyageant à travers un transporteur intégré dans la membrane.

Le pH intracellulaire ( pHi ) est la mesure de l' acidité ou de la basicité (c'est-à-dire le pH ) du liquide intracellulaire . Le pHi joue un rôle essentiel dans le transport membranaire et d'autres processus intracellulaires. Dans un environnement avec un pHi inapproprié, les cellules biologiques peuvent avoir une fonction compromise. Par conséquent, le pHi est étroitement régulé afin d'assurer une fonction cellulaire appropriée, une croissance cellulaire contrôlée et des processus cellulaires normaux. Les mécanismes qui régulent le pHi sont généralement considérés comme des transporteurs membranaires plasmiques dont il existe deux types principaux - ceux qui sont dépendants et ceux qui sont indépendants de la concentration de bicarbonate ( HCO
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). Le pH intracellulaire physiologiquement normal se situe le plus souvent entre 7,0 et 7,4, bien qu'il existe une variabilité entre les tissus (p. ex., le muscle squelettique des mammifères a tendance à avoir un pHi de 6,8 à 7,1). Il existe également une variation du pH entre les différents organites , qui peut aller d'environ 4,5 à 8,0. Le pHi peut être mesuré de différentes manières.

Homéostasie

Le pH intracellulaire est généralement inférieur au pH extracellulaire en raison de concentrations plus faibles de HCO 3 . Une augmentation de la pression partielle extracellulaire (p. ex., sérique ) du dioxyde de carbone ( pCO 2 ) au-dessus de 45  mmHg entraîne la formation d' acide carbonique , qui entraîne une diminution du pHi lorsqu'il se dissocie :

H 2 O + CO 2 H 2 CO 3 ⇌ H + + HCO 3

Étant donné que les cellules biologiques contiennent un fluide qui peut agir comme un tampon, le pHi peut être assez bien maintenu dans une certaine plage. Les cellules ajustent leur pHi en conséquence lors d'une augmentation de l'acidité ou de la basicité, généralement à l'aide de capteurs de CO 2 ou de HCO 3 - présents dans la membrane de la cellule. Ces capteurs peuvent permettre à H + de traverser la membrane cellulaire en conséquence, permettant à pHi d'être lié au pH extracellulaire à cet égard.

Les principaux systèmes tampons intracellulaires comprennent ceux impliquant des protéines ou des phosphates. Étant donné que les protéines ont des régions acides et basiques, elles peuvent servir à la fois de donneurs ou d'accepteurs de protons afin de maintenir un pH intracellulaire relativement stable. Dans le cas d'un tampon phosphate, des quantités importantes d'acide faible et de base faible conjuguée (H 2 PO 4 et HPO 4 2 – ) peuvent accepter ou donner des protons en conséquence afin de conserver le pH intracellulaire :

OH + H 2 PO 4 ⇌ H 2 O + HPO 4 2–
H + + HPO 4 2– ⇌ H 2 PO 4

En organites

pH approximatif de divers organites dans une cellule.

Le pH dans un organite particulier est adapté à sa fonction spécifique.

Par exemple, les lysosomes ont un pH relativement bas de 4,5. De plus, les techniques de microscopie à fluorescence ont indiqué que les phagocytes ont également un pH interne relativement bas. Étant donné que ce sont à la fois des organites dégradants qui engloutissent et décomposent d'autres substances, ils nécessitent une acidité interne élevée pour remplir avec succès leur fonction prévue.

Contrairement au pH relativement bas à l'intérieur des lysosomes et des phagocytes, la matrice mitochondriale a un pH interne d'environ 8,0, soit environ 0,9 unité de pH supérieur à celui de l'espace intermembranaire intérieur. Étant donné que la phosphorylation oxydative doit se produire à l'intérieur des mitochondries, cette différence de pH est nécessaire pour créer un gradient à travers la membrane. Ce potentiel membranaire est finalement ce qui permet aux mitochondries de générer de grandes quantités d'ATP.

Les protons sont pompés de la matrice mitochondriale dans l'espace intermembranaire pendant que la chaîne de transport d'électrons s'exécute, abaissant le pH de l'espace intermembranaire.

La mesure

Il existe plusieurs façons courantes de mesurer le pH intracellulaire (pHi), notamment avec une microélectrode, un colorant sensible au pH ou avec des techniques de résonance magnétique nucléaire. Pour mesurer le pH à l'intérieur des organites, une technique utilisant des protéines fluorescentes vertes sensibles au pH (GFP) peut être utilisée.

Dans l'ensemble, les trois méthodes ont leurs propres avantages et inconvénients. L'utilisation de colorants est peut-être la plus simple et la plus précise, tandis que la RMN présente le défi d'être relativement moins précise. De plus, l'utilisation d'une microélectrode peut être difficile dans les situations où les cellules sont trop petites ou où l'intégrité de la membrane cellulaire ne doit pas être perturbée. Les GFP sont uniques en ce qu'elles fournissent un moyen non invasif de déterminer le pH à l'intérieur de différents organites, mais cette méthode n'est pas le moyen le plus quantitatif de déterminer le pH.

Microélectrode

La méthode des microélectrodes pour mesurer le pHi consiste à placer une très petite électrode dans le cytosol de la cellule en faisant un très petit trou dans la membrane plasmique de la cellule. Étant donné que la microélectrode contient un fluide avec une concentration élevée en H+ à l'intérieur, par rapport à l'extérieur de l'électrode, il existe un potentiel créé en raison de la différence de pH entre l'intérieur et l'extérieur de l'électrode. A partir de cette différence de tension et d'un pH prédéterminé pour le fluide à l'intérieur de l'électrode, on peut déterminer le pH intracellulaire (pHi) de la cellule d'intérêt.

Spectroscopie de fluorescence

Une autre façon de mesurer le pH intracellulaire (pHi) consiste à utiliser des colorants sensibles au pH et fluorescents différemment à différentes valeurs de pH. Cette technique, qui utilise la spectroscopie de fluorescence, consiste à ajouter ce colorant spécial au cytosol d'une cellule. En excitant le colorant dans la cellule avec l'énergie de la lumière et en mesurant la longueur d'onde de la lumière libérée par le photon lorsqu'il revient à son état énergétique natif, on peut déterminer le type de colorant présent et le relier au pH intracellulaire du produit donné. cellule.

Résonance magnétique nucléaire

En plus d'utiliser des électrodes et des colorants sensibles au pH pour mesurer le pHi, la spectroscopie par résonance magnétique nucléaire (RMN) peut également être utilisée pour quantifier le pHi. La RMN, généralement parlant, révèle des informations sur l'intérieur d'une cellule en plaçant la cellule dans un environnement avec un champ magnétique puissant. Sur la base du rapport entre les concentrations de formes protonées, par rapport aux formes déprotonées, de composés de phosphate dans une cellule donnée, le pH interne de la cellule peut être déterminé. De plus, la RMN peut également être utilisée pour révéler la présence de sodium intracellulaire, qui peut également fournir des informations sur le pHi.

En utilisant la spectroscopie RMN, il a été déterminé que les lymphocytes maintiennent un pH interne constant de 7,17 ± 0,06, bien que, comme toutes les cellules, le pH intracellulaire change dans la même direction que le pH extracellulaire.

GFP sensibles au pH

Pour déterminer le pH à l'intérieur des organites, les GFP sensibles au pH sont souvent utilisées dans le cadre d'une technique non invasive et efficace. En utilisant l'ADNc comme matrice avec les amorces appropriées, le gène GFP peut être exprimé dans le cytosol et les protéines produites peuvent cibler des régions spécifiques de la cellule, telles que les mitochondries, l'appareil de Golgi, le cytoplasme et le réticulum endoplasmique. Si certains mutants GFP très sensibles au pH dans les environnements intracellulaires sont utilisés dans ces expériences, la quantité relative de fluorescence résultante peut révéler le pH environnant approximatif.

Les références