Les molécules des membranes cellulaires sont principalement synthétisées dans deux organites: le réticulum endoplasmique et l’appareil de Golgi. Dans les pages traitant de ces organites, nous décrirons plus en détail les processus de synthèse. Ainsi, la synthèse des lipides sera étudiée dans les pages dédiées au réticulum endoplasmique lisse et à l’appareil de Golgi, la synthèse des protéines dans les pages du réticulum endoplasmique rugueux, et les glucides dans les pages sur le réticulum endoplasmique et l’appareil de Golgi. Dans les pages suivantes, nous allons également apprendre les chemins que les molécules membranaires suivent pour atteindre les différents compartiments liés à la membrane, ainsi que la membrane plasmique. Donc, ici, seul un résumé de la synthèse des molécules membranaires est fourni.
Les membranes renouvellent continuellement leurs molécules. Ils sont éliminés et synthétisés de manière stable. En utilisant des acides aminés radiomarqués, il a été montré que les protéines de haut poids moléculaire de la membrane plasmique sont renouvelées tous les 2 à 5 jours, alors que les protéines de bas poids moléculaire tous les 7 à 13 jours. Les lipides sont également remplacés tous les 7 à 13 jours. Les protéines, la plupart des lipides et quelques glucides des membranes cellulaires sont synthétisés dans le réticulum endoplasmique. De nombreuses espèces de lipides et la plupart des glucides des membranes sont synthétisés dans l’appareil de Golgi.
La plupart des molécules membranaires sont transportées à leur emplacement final par trafic vésiculaire. Ils voyagent en tant que composants des membranes vésiculaires qui, après fusion avec la membrane cible, feront partie du répertoire moléculaire du compartiment cible. Cependant, certaines molécules sont déplacées entre les membranes par des porteurs (protéines), ou sont échangées entre des membranes très proches les unes des autres dans les sites dits de contact membranaire.
Le réticulum endoplasmique synthétise des protéines pour lui-même et pour le reste des membranes cellulaires, en plus des membranes chloroplastiques et mitochondriales. Ces organites peuvent importer des protéines synthétisées par des ribosomes cytosoliques libres, ou ils peuvent synthétiser des protéines par eux-mêmes car ils contiennent de l’ADN, des ribosomes et toutes les molécules nécessaires à la synthèse des protéines. Le cholestérol et les glycérophospholipides sont également synthétisés dans le réticulum endoplasmique, qui sont distribués à toutes les membranes cellulaires, y compris les mitochondries et les chloroplastes.
Comme cas particulier, il convient de mentionner les peroxysomes. Il a été rapporté que les peroxysomes proviennent de vésicules provenant du réticulum endoplasmique et des mitochondries. Cependant, une partie des molécules de leurs membranes sont synthétisées par des ribosomes libres. Les sources de molécules membranaires du peroxysome sont donc diverses.
La majorité des molécules de la membrane plasmique arrivent par le flux continu entrant des vésicules, c’est-à-dire par exocytose. Les compartiments qui envoient les vésicules à la membrane plasmique sont les endosomes et le complexe de Golgi. L’élimination des molécules de la membrane plasmique est largement médiée par les vésicules endocytaires. Des vésicules se forment dans la membrane plasmique et finissent par se terminer dans les lysosomes où les molécules membranaires seront dégradées. L’équilibre entre l’exocytose et l’endocytose détermine la composition moléculaire de la membrane plasmique. Certaines molécules enlevées dans le cadre de vésicules endocytaires sont transportées vers des endosomes précoces. Ils peuvent y rester pendant un certain temps, puis revenir à la membrane plasmique dans le cadre d’autres vésicules partant de l’endosome précoce. Ce mécanisme est important pour la cellule car la quantité et la proportion de molécules de la membrane plasmique peuvent être modifiées sans processus coûteux de synthèse et de dégradation.
Les membranes des endosomes, des lysosomes et des vacuoles sont principalement une conséquence de l’endocytose dans la membrane plasmique, mais elles reçoivent également des molécules par l’intermédiaire de vésicules provenant de l’appareil de Golgi.
Enfin, il faut souligner que la composition chimique des membranes, principalement le répertoire lipidique, peut évoluer par des modifications chimiques locales. Par exemple, la tête de plusieurs espèces de lipides peut être chimiquement modifiée par des enzymes locales, ce qui donne une nouvelle molécule aux propriétés différentes. De plus, certains lipides sont dégradés in situ par des enzymes, telles que les lipases.