Le Milieu Intérieur de l'Organisme PDF

LE MILIEU INTÉRIEUR DE L'ORGANISME 1  PLAN RAPPELS SUR LES QUANTITÉS DE MATIÈRES ET LES CONCENTRATIONS L’EAU DANS L’ORGANISME DÉPLACEMENT DE L’EAU ET DU SOLUTÉ  DIFFUSION DANS UNE SOLUTION  DIFFUSION A TRAVERS UNE...

LE MILIEU INTÉRIEUR DE L'ORGANISME 1  PLAN RAPPELS SUR LES QUANTITÉS DE MATIÈRES ET LES CONCENTRATIONS L’EAU DANS L’ORGANISME DÉPLACEMENT DE L’EAU ET DU SOLUTÉ  DIFFUSION DANS UNE SOLUTION  DIFFUSION A TRAVERS UNE MEMBRANE (Équilibres transmembranaires) RAPPELS SUR LES MEMBRANES DIFFUSION DU SOLVANT : L’OSMOSE DIFFUSION DU SOLUTÉ APPLICATIONS 2  QUANTITÉS DE MATIÈRES Définitions Solution = mélange homogène de divers composés à l’état liquide contenant une seule phase visible Le composant le plus dominant est appelé solvant et les autres, solutés Les soluté sont des ions, molécules, macromolécules Dans les milieux biologiques, le solvant est toujours L’EAU Et les solutions sont très diluées: mmol, méquivalent ou mosmol par litre 3  QUANTITÉS DE MATIÈRES ET CONCENTRATIONS la mole (n): nombre d'Avogadro (6,02.1023) de particules identiques l’osmole (nos) → nombre d'Avogadro (6,02.1023) de particules réellement en solution 1 mol MgCl2 qui se dissocie entièrement donne 1 mol de Mg++ 3 osmol 2 mol de Cl- n mol AB qui se dissocie partiellement donne: a n mol de A+ a = coefficient de dissociation a n mol de B- n (1+a ) osmol avec n (1-a ) mol de AB non dissocié 4  QUANTITÉS DE MATIÈRES ET CONCENTRATIONS l’équivalent (neq) concerne les particules chargées uniquement 1 équivalent = quantité d’ions qui transporte une charge de 1 Faraday 1 Faraday= N charges élémentaire soit: 6.02 x 1023 x 1,6 x 10-19  96500 Coulombs =1Faraday Ex1: 1mole de Na+ transporte un Faraday → un équivalent de Na+ → neq= 1 1 eq correspond à 1 mole Ex2: 1mole de Mg2+ transporte deux Faraday → deux équivalent de Mg2+ → neq= 2 1 eq correspond à 0,5 mole 5  QUANTITÉS DE MATIÈRES ET CONCENTRATIONS LES CONCENTRATIONS Concentration pondérale: Cp = m/v exprimée en g/l Molarité ou concentration molaire: CM = n/V exprimé en mol/l Osmolarité: Cos = nos/V exprimée en osmol/l 1 mole MgCl2 dans 2l d’eau: CM = n/V = 0,5 mol/L Cos = nos/V= 3/2 = 1,5 osmol/L  Concentration équivalente ou normalité : Ceq = neq/V exemple dans 1 litre de solution : 1 moles de Mg2+ 1x2 Faraday 1x2 équivalents  Ceq = 2 eq/l 1 mol de CaCl2 = 1x2 (Ca2+)+ 2x1 (Cl-)= 4 eq/L 1 mol de glucose (non-électrolyte) = 0 eq/L Molalité et Osmolalité → par rapport à la masse du solvant: mol/kg, osmol/kg 6  QUANTITÉS DE MATIÈRES ET CONCENTRATIONS Electroneutralité d’une solution Dans un état d’équilibre physiologique qui est l’état normal, les solutions biologiques sont électriquement neutres, ce qui se traduit par: ∑ nb. d’équivalents anioniques = ∑ nb. d’équivalents cationiques ou ∑ Ceq des anions = ∑ Ceq des cations quand ces égalités sont réalisées ont dit que l’électroneutralité des solutions physiologiques est vérifiée 7  L’EAU DANS L’ORGANISME Importance et répartition de l’eau dans l’organisme Structure et polarité de la molécule d’eau Rôle de l’eau dans l’organisme Autres rôles liés aux propriétés physico-chimiques de l’eau Ionogrammes des liquides biologiques 8  L’EAU DANS L’ORGANISME IMPORTANCE QUANTITATIVE DE L’EAU DANS L’ORGANISME L'eau est le constituant le plus abondant du corps humain représente 93 % du poids total du corps chez le fœtus 60-65% chez l’adulte et peut arriver à 55% chez la personne âgée Elle se répartie de façon différente en fonction des tissus 30 % dans la graisse, 33 % dans l’os dans les muscles l’eau représente 73 à 75 % du poids total dans les liquides biologiques elle représente 85 % du plasma; 98% du LCR 9  L’EAU DANS L’ORGANISME RÉPARTITION DE L’EAU DANS LES DIFFÉRENTS COMPARTIMENTS DE L’ORGANISME Eau totale de l’organisme 60 % du Poids Total de l’Organisme (PTO) Liquide intracellulaire Liquide extracellulaire (LIC) 40 % PTO (LEC) 20 % PTO Liquide vasculaire (sang) : 5% Liquide interstitiel (LI) : 15 % circule rapidement baigne les cellules et les tissus via la pompe cardiaque circule lentement 10  L’EAU DANS L’ORGANISME STRUCTURE DE LA MOLÉCULE D’EAU Un atome d’oxygène : 8 électrons sur deux couches  Très électronégatif deux hydrogènes: un électron par atome  moins électronégatif que l’oxygène La différence d’électronégativité  la molécule d’eau est polaire 11  L’EAU DANS L’ORGANISME CONSÉQUENCES DE LA POLARITÉ DE LA MOLÉCULE D’EAU Liaisons hydrogène: attirance électrostatique entre un hydrogène (LHy) et un doublet non liant d’un atome électronégatif interactions entre molécules d’eau :  l’eau peut avoir différentes structures (gaz, liquide, solide) interactions avec les autres molécules ⇒ pouvoirs: dissociant pour molécules ioniques si LHy>> Lintra rend les ions accessibles pour régir et être véhiculés LHy Na+ hydraté Lintra Cristal de NaCl LHy Dissolvant pour molécules, ions et molécules polaires si (LHy) >> (Linter) véhiculer 12  L’EAU DANS L’ORGANISME RÔLES DE L’EAU DANS L’ORGANISME Rôle structural: incorporée aux structures des macromolécules (eau liée) oconstituant essentiel des cellules (matrice extracellulaire) oForme tertiaire des protéines, biologiquement active Rôle de solvant (eau libre): grâce à sa forte polarité oSolvatation oIonisation oTransport de nutriment et de déchets Rôle de réactif chimique: oÉquilibres acido-basiques oRéactions d’oxydo-réduction oRéactions polymérisation ou d’hydrolyse (départ ou intégration d’une molécule d’eau) 13  L’EAU DANS L’ORGANISME AUTRES RÔLES DE PAR LES PROPRIÉTÉS PHYSICO-CHIMIQUES DE L’EAU Masse volumique de l’eau 1 g/cm3  sous forme de glace, la masse volumique de l’eau diminue → dilatation  utilisation: cryothérapie (destruction de tissus) Chaleur massique de l’eau: 1 calorie par gramme (>> d’autres liquides) Quantité de chaleur nécessaire pour élever de 1°C la température de 1g d’eau  Il faut de grandes quantités de chaleur pour augmenter la T ̊ du corps Chaleur latente de vaporisation :581 cal/g à 37°C (>> d’autres liquides) Quantité de chaleur nécessaire pour évaporer 1g d’eau  évacuation de grandes quantités de chaleur via la peau (sudation), poumons (respiration) L’HOMÉOTHÉRMIE = Stabilité de la température du corps Equilibre des concentrations, composition et pression des différents compartiment 14  IONOGRAMMES DES LIQUIDES BIOLOGIQUES L’EAU DANS L’ORGANISME (en meq/l d’eau et en mmol/l d’eau) Cation Intracellulaire Interstitiel Plasma Na+ 12 (12) 144 (144) 151 (151) K+ 150 (150) 4 (4) 4 (4) Ca2+ 4 (2) 3 (1,5) 6 (3) Mg 2+ 34 (17) 2 (1) 3 (1,5) Total 200 153 164 Anion Intracellulaire Interstitiel Plasma Cl- 4 (4) 114 (114) 110 (110) HCO3- 12 (12) 30 (30) 28 (28) SO42- 2 (1) 1 (0,5) Phosphates 130 (≈100) 2 (1,5) 2 (1,5) A. organiques 5 (3) 6 (3) Protéines 54 (3) 0 (0) 17 (1) Total 200 153 164 15  DÉPLACEMENT D’EAU ET DE SOLUTÉS ET ÉQUILIBRES TRANSMEMBRANAIRES 16  INTRODUCTION organismes vivants : réactions du métabolisme déplacements et échanges dans le même compartiment d'eau et de solutés ou entre compartiments maintien de l’homéostasie à travers les membranes Il existe trois modes de déplacements de la matière: Convection: mouvement d’ensemble dans un sens et une direction précis imposé par une force extérieure aux molécules Migration: déplacement dans un sens et une direction précis, dictés par une caractéristique propre à la molécule. Diffusion: déplacement sans aucun sens ou direction précis, tendance naturelle d'un système à homogénéiser les concentrations de ses constituants selon un gradient de concentration, en rapport avec l’agitation thermique 17  La diffusion dans une solution moyen de déplacement des molécules: à l’intérieur d’un même compartiment C’est un mode de transport passif, lié à l’agitation thermique des molécules. Les molécules du soluté (solide, liquide ou gazeux) se répandent: 𝑑𝑐  dans tout le volume selon le gradient de concentration 𝑑𝑥  d’un point A à concentration élevée à un point B où la concentration est plus faible Le solvant se déplace du milieu dilué vers le milieu concentré. à l’équilibre la concentration est la même en tout point du volume, pour le soluté et pour le solvant 18  LA DIFFUSION Loi de FICK Stipule que la quantité de matière dq qui diffuse à travers une section S entre A et B: 𝒅𝒄 𝒅𝒒 = −D. 𝑺. 𝒅𝒕 𝒅𝒙 dx = distance parcourue D (m²/s) : Coefficient de diffusion moléculaire, caractérise l’interaction solvant-soluté et les interactions entre la matrice poreuse et les molécules D ≈10-5 pour la diffusion gaz dans un gaz D ≈ 10-9 pour une petite molécule dans un liquide D ≈ 10-13 lipide dans une membrane lipidique D ≈ 10-16 protéine dans une membrane lipidique D  quand: T, ou , ou M (molécule plus petite)  ‘’c’’ est une concentration pondérale si dq est une masse, ou osmolaire si dq est un nombre d’osmoles 19  La diffusion à travers une membrane LES MEMBRANES ET LEURS CARACTÉRISTIQUES LES PHÉNOMÈNES D’OSMOSE Définition et mise en évidence de la pression osmotique Loi de Pfeffer et loi de Vant’Hoff Mesure de la pression osmotique Tonicité et osmolarité Applications DIFFUSION DU SOLUTÉ À TRAVERS UNE MEMBRANE 20  LES MEMBRANES ET LEURS CARACTÉRISTIQUES DEFINITION ET CLASSIFICATION Définition = dispositif de faible épaisseur qui sépare 2 milieux (liquides ou liquide et gaz …) Rôle: Frontière, Transport, Interaction Classification biologiques: cytoplasmique intracellulaires (autour des organites cellulaires) Classification selon la perméabilité: hémiperméable ou semi-perméable, ne laisse traverser que les molécules du solvant dialysante qui laisse passer les petites molécules et arrête les macromolécules sélective ou spécifique: ne laisse passer qu’un type d’ion ou de molécule ou laisse passer toutes les molécule mais avec dissymétrie de diffusion 21 CARACTERISTIQUES PHYSIQUES DES MEMBRANES Chaque membrane se caractérise par Son épaisseur, notée dx ou e La mobilité d’un soluté i à travers la membrane, notée Ui. Le coefficient de diffusion du soluté i à travers la membrane Di = Ui. R.T La perméabilité de la membrane pour le soluté i : Pi = Di/e Le déplacement à travers une membrane peut être Passif : - déplacements sous l’effet d’une différence de concentration … - sans dépense d’énergie Actif: - contre le gradient - nécessite de l’énergie 22  LES PHÉNOMÈNES D’OSMOSE DEFINTION ET MISE EN ÉVIDENCE DE LA PRESSION OSMOTIQUE L’osmose est la diffusion du solvant qui se fait: à travers une membrane semi-perméable séparant deux compartiments de concentrations différentes du milieu le moins concentré vers le milieu le plus concentré la pression osmotique P𝒐𝒔 attire l’eau de I à II Dh la pression hydrostatique PHy (ρgDh) repousse l’eau vers I │PHy│qui s’installe dans II à l’équilibre est =│P 𝒐𝒔│de la solution II I Solution Eau pure (protéines) la pression osmotique de cette solution est équivalente à la pression hydrostatique capable d’empêcher le solvant pur de traverser la membrane 23  LES PHÉNOMÈNES D’OSMOSE LOI DE PFEFFER 𝑪𝒑 Pour un soluté donné : 𝜫𝒐𝒔 = 𝒄𝒕𝒆..𝑻 𝑴 Si soluté indissociable Cp = C. M ⇒ Π𝒐𝒔 = 𝑐𝑡𝑒. 𝐶. 𝑇 Si soluté dissociable en ni ions, : Π𝒐𝒔 = 𝑐𝑡𝑒. ni. 𝐶. 𝑇 = 𝑐𝑡𝑒. 𝐶𝑜𝑠. 𝑇 Pour un mélange de solutés on additionne les P 𝑜𝑠 : 𝛱𝑜𝑠 = 𝑐𝑡𝑒. 𝑇. ∑𝐶𝑜𝑠.  Deux solutions à la même osmolarité développent la même pression osmotique LOI DE VAN’T HOFF par analogie aux mélanges gazeux, cte = R: constante des gaz parfaits (8,32 J.K-1.mol-1) la pression osmotique d’une solution s’écrira: 𝛱𝑜𝑠 = 𝑅. ∑𝐶𝑜𝑠. 𝑇 (Pa) P𝒐𝒔 = pression fictive, elle se manifeste seulement en présence d’un solvant P𝒐𝒔 s’exerce à travers la membrane: du solvant vers la solution (pousse l’eau vers la solution) 24  LES PHÉNOMÈNES D’OSMOSE REPRÉSENTATION DE LA LOI DE VAN’T HOFF: Pour une solution Dans une solution de macromolécules de macromolécules  Pression oncotique P𝒐𝒏𝒄 la loi de Van’t Hoff n’est plus valable relation curviligne (composante de P𝒐𝒔) P 𝜫𝒐 = 𝑹. 𝑪𝒐. 𝑻 + 𝑹. 𝑪𝟐𝒐. 𝑻𝑽 … Pour une solution diluée, de petites molécules relation linéaire dans le plasma: C  Pression oncotique faible : P 𝒐𝒏𝒄 = 28 mm Hg pour une pression osmotique totale P 𝒐𝒔= 5776 mm Hg  mais rôle physiologique important: s’oppose à la PHy(fuite de l’eau hors des vaisseaux) 25  LES PHÉNOMÈNES D’OSMOSE MESURE DE LA PRESSION OSMOTIQUE : Méthode directe Utilisation de l’osmomètre de Dutrochet : 1: mise en contact de la solution à mesurer et du solvant pur 2: montée progressive du solvant dans le capillaire 3: quand PHy = P𝒐𝒔 l’équilibre est atteint la diffusion de l’eau s’arrête 𝜌.𝑔 4: application de loi de Van’t Hoff: P𝒐𝒔 = ρ g Dh = R. T. ∑ Cos  ∑𝐶𝑜𝑠 =. Δℎ 𝑅.𝑇 ou courbe d’étalonnage Dh = f(Cos): reporter Dh sur la courbe et déduire Cos ∑ Cos = Somme des concentrations osmolaires de tous les solutés présents dans la solution. 26  LES PHÉNOMÈNES D’OSMOSE MESURE DE LA PRESSION OSMOTIQUE : Méthode indirecte Exemple, la cryométrie : la cryométrie = l'étude du point de congélation des solutions La température de congélation d’une solution est < celle du solvant pur Cette diminution = L’abaissement cryoscopique = Dq q PC de  Dq est proportionnel à l’osmolalité de la solution O° l’eau pure Dq = K. C loi de RAOULT Dq K = constante cryoscopique du solvant (°K. kg /osmole) PC de Pour l’eau: K = 1,86 (°K. kg / osmole) K = 1,86 (°K. l / osmole) la solution dans les solutions aqueuses : osmolarité = osmolalité (1kg → 1L) temps 27  LES PHÉNOMÈNES D’OSMOSE RELATION ENTRE Dq ET PRESSION OSMOTIQUE P Pos Pos = R.T.C 𝑹𝑻 Dq = K.C 𝜫os =. 𝜟𝜽 𝑲 Pi Pos est une fonction linéaire de Dqi. On peut lire Pi sur la courbe pour chaque valeur de Dqi. Ou déduire Pi par le calcul: Dqi Dq Par exemple, pour T= 25 °C = 298 °K, RT/K = 1,33. 106. Si Dq = 0.56° Pos = 1,33. 106. 0,56 Pos = 7,5. 105 pascals 28  LES PHÉNOMÈNES D’OSMOSE LES NOTIONS DE TONICITÉ ET OSMOLARITÉ L’osmolarité compare des concentrations entre deux solutions A et B quantitatif Si CosA < CosB, A est dite hypo-osmotique par rapport à B Si CosA = CosB, A et B sont dites iso-osmotiques Si CosA > CosB, A est dite hypero-osmotique par rapport à B La tonicité décrit l’effet d’une solution sur le volume d’une cellule: qualitatif Si solution hypotonique/MIC →entrée d’eau dans la cellule →gonflement Si solution isotonique/MIC il n’y a pas de mouvement privilégié → volume inchangé Si solution hypertonique/ MIC il y a sortie d’eau de la cellule → rétrécissement L’osmolarité se mesure alors que la tonicité est un effet à constater 29  LES PHÉNOMÈNES D’OSMOSE LES NOTIONS DE TONICITÉ ET OSMOLARITÉ Deux solutions isotoniques : pas de passage d’eau à travers la membrane dans un sens privilégié  pas de changement de volume solution isotonique/MIC  les osmolarités efficaces sont égales entre la solution et la cellule L’osmolarité efficace est l’osmolarité développée par les substances non diffusibles. Exemple, une solution de: NaCl (0,05+0,05=0,1 osm/l), glucose (0,1osm/l) et urée (0,1osm/l): → Cos=0,3 osm/l → cette solution est iso-osmotique au MIC du GR, car mêmes COs. →mais pas isotonique au GR, car l’urée est très diffusible à travers la membrane du GR → l’urée équilibre sa concentration de part et d’autre de la membrane et ne participe pas à l’osmolarité efficace donc ne participe pas à la diffusion de l’eau → l’osmolarité efficace de la solution (particules qui participent à l’osmose) =0,2 osm/l 30  LES PHÉNOMÈNES D’OSMOSE APPLICATIONS BIOLOGIQUES DE L’OSMOSE ÉTUDE DE LA RÉSISTANCE GLOBULAIRE Intérêt: détecter les anémies hémolytiques→ GR fragiles de nature ou fragilisés par un processus pathologique Le GR est dans un milieu isotonique si osmolarité du milieu = 300 mosmol/L On place les GR à étudier dans des solutions (NaCl) de plus en plus hypotoniques solution hypotonique  entrée d’eau dans GR  de volume si entrée d’eau excessive  hémolyse  coloration du surnageant 5.4 g/l 5.2 5 4.8 4.6 4.4 4.2 4 3.8 31  LES PHÉNOMÈNES D’OSMOSE APPLICATIONS SÉRUMS ISOTONIQUES INJECTABLE Pour un soluté non dissociable : (1 mole donne 1 osmole : cos = cp/M)  exemple glucose, cos=cp/M (MGlucose = 180 g/mol)  pour préparer une solution à cos= 0.3 osm/l ce qui correspond à cp= cos x M  il faut cp = 180 x 0.3 soit 54 g/l (5.4 % ou 5,4g pour 100ml de solution) Pour un soluté totalement dissociable (1 molécule donne n𝑖 ions : cos = n𝑖 x (cp/M))  exemple NaCl: cos= 2 x (cp / M) (MNaCl = 58.5 g/mol)  pour préparer une solution à cos= 0.3 osm/l, ce qui correspond à cp=M x cos/2  il faut cp=58.5 x 0.3/2 soit ≈ 9 g/l 32  DIFFUSION DU SOLUTÉ À TRAVERS UNE MEMBRANE Notion de potentiel chimique Diffusion à travers une membrane perméable à tous les ions sous l’effet du potentiel chimique, potentiel électrique, potentiel électrochimique Diffusion à travers une membrane sélective Membrane perméable à deux cations de mobilités différentes (potentiel de diffusion) Membrane perméable à un seul type d’ion (ddp de membrane) Membrane perméable aux petits ions et imperméable aux macro- ions 33  QUANTITÉS DE MATIÈRES ET CONCENTRATIONS Le potentiel chimique Grandeur qui traduit la contribution d’une particule i à l’énergie totale du milieu le potentiel chimique d’un soluté dans une solution s’écrit: µi = µi° + R T lnci ci concentration du soluté µi permet d’expliquer le comportement d’une particule sur le plan thermodynamique: Pour atteindre un équilibre thermodynamique, chaque particule doit diminuer son potentiel chimique dans le milieu Ceci se traduit par le déplacement moléculaire, du milieu le plus concentré vers le milieu le moins concentré 34  DIFFUSION DU SOLUTÉ DIFFUSION A TRAVERS UNE MEMBRANE PERMÉABLE À TOUS LES IONS A- sous l’effet d’une différence de concentration La membrane sépare deux solutions de concentrations C1 ≠ C2. Le déplacement des ions se fera en fonction de µ de chaque ion : µi = µi° + RTlnci 𝑑𝑐 Elle est similaire à la diffusion dans une solution 𝑑𝑞 = −𝐷. 𝑆. 𝑑𝑡 𝑑𝑥 Se fait du milieu le plus concentré vers le milieu le moins concentré(pour chaque ion) en tenant compte des caractéristiques de la membrane, le flux s’écrit : 𝑑𝑛 𝐶2 −𝐶1 Φ1→2 = = −𝐷. 𝑆. 𝑑𝑡 𝑒 Φ1→2 = −𝑃. 𝑆 𝐶2 − 𝐶1 35  DIFFUSION DU SOLUTÉ DIFFUSION A TRAVERS UNE MEMBRANE PERMÉABLE À TOUS LES IONS A- sous l’effet d’une différence de concentration Le travail correspondant au passage de n particules de 1 à 2 est : 1 2 DW1 = n(µ1- µ2) C2 Si µ1 > µ2 , DW1 > 0, travail spontané. C1  Si µ1< µ2, DW1 < 0 : nécessité d’énergie pour faire passer les ions de 1 à 2 Dans une solution contenant plusieurs ions en raison de l’électroneutralité chaque ion qui passe s’accompagne d’un ion de charge opposée ou provoque le retour d’un ion de même charge 36  DIFFUSION DU SOLUTÉ Exemple de calcul de quantité de matière Soit un récipient séparé en deux par un orifice de section circulaire de rayon 3 mm qui laisse passer les molécules d’urée. L’épaisseur de la paroi est de 0,5 cm. Le compartiment 1 contient une solution aqueuse d’urée de concentration 0,2 mol/l et le compartiment 2 de l’eau pure M(urée): 60 g/mol et D (urée): 0,81 cm2/jour 𝑑𝑞 Déterminez , débit de diffusion de l’urée à travers l’orifice (en g/s) 𝑑𝑡 37  DIFFUSION DU SOLUTÉ Solution 𝑑𝑐 𝑑𝑞 = −D. 𝑆. 𝑑𝑡 𝑑𝑥 3 mm = rayon de la section traversée 0,5 cm= distance parcourue pour traverser d’un compartiment à l’autre du récipient Calcul de la section: S=π R2 = π (0,3)2 = π.9.10-2cm2 Calcul du gradient de concentration massique: 𝑑𝑐𝑝 0,2. 60 (𝑔/𝑑𝑚3) 0,2.10−3.60 = = = 0,024 𝑔. 𝑐𝑚−4 𝑑𝑥 0,5 0,5 0,81 D = 0,81 cm2/jour = 𝑐𝑚2 /𝑠 = 9,375.10-6cm2/s 24.60.60 𝑑𝑞 = 6,36. 10−8 𝑔/𝑠 𝑑𝑡 38  DIFFUSION DU SOLUTÉ DIFFUSION A TRAVERS UNE MEMBRANE PERMÉABLE À TOUS LES IONS B- sous l’effet d’une différence de potentiel électrique La membrane sépare deux solutions de concentrations C1 et C2. on crée une ddp entre les deux compartiments V= V1 – V2 Les ions se déplacent sous l’effet de la ddp dans un sens 1 2 ou un autre, selon leur charge et leur mobilité U V1 C V2  le flux des déplacements s’écrit : 1 C2 + 𝑉2 −𝑉1 Pour les cations Φ1→2 = −𝑈. 𝐶. 𝑆. 𝑒 − 𝑉2 −𝑉1 Pour les anions Φ1→2 = 𝑈. 𝐶. 𝑆. 𝑒 ddp 39  DIFFUSION DU SOLUTÉ DIFFUSION A TRAVERS UNE MEMBRANE PERMÉABLE À TOUS LES IONS B- sous l’effet d’une différence de potentiel électrique Le travail correspondant au passage de n mole d’ions qui portent une charge globale Q de 1 à 2 (de V1 à V2) est: DW2 = Q (V1- V2) DW2 = nzF(V1- V2) z = nombre de charges de l’ion (±) Si V1 > V2 , et z > 0, DW2 > 0 : les ions se déplacent spontanément de 1 à 2. Si V1< V2, z > 0, DW2 < 0 : nécessité d’énergie pour faire passer les ions de 1 à 2 40  DIFFUSION DU SOLUTÉ DIFFUSION A TRAVERS UNE MEMBRANE PERMÉABLE À TOUS LES IONS C- sous l’effet d’une différence de potentiel électrochimique La membrane sépare deux solutions avec C1 ≠ C2 et V1 ≠ V2. Les ions se déplacent sous l’effet des deux potentiels à l’équilibre les concentrations ne changent plus = arrêt de passage Il y a autant d’ions qui passent de 1 à 2 sous l’effet de la différence de concentration que d’ions qui passent de 2 à 1 sous l’effet de différence de potentiel électrique: DW1 = - DW2 DW1 + DW2 = 0 41  DIFFUSION DU SOLUTÉ DIFFUSION A TRAVERS UNE MEMBRANE PERMÉABLE À TOUS LES IONS C- sous l’effet d’une différence de potentiel électrochimique DW1 + DW2 = 0 n (µ1- µ2) + n zF(V1- V2) = 0 n (µ1- µ2 + zFV1- zFV2)= 0 µ1 + zFV1 = µ2 + zFV2 𝜇1 𝜇2 𝝁 + 𝑉1 = + 𝑉2 le terme + 𝑽 est appelé potentiel électrochimique 𝑧𝐹 𝑧𝐹 𝒛𝑭 A l’équilibre, pour l’ion considéré, il y a égalisation du potentiel électrochimique entre les deux compartiments 42  DIFFUSION DU SOLUTÉ DIFFUSION A TRAVERS UNE MEMBRANE SELECTIVE A- Membrane perméable à deux cations de mobilités différentes On suppose que la membrane est perméable à K+ et à Na+ K+ passe dans le compartiment 1 et Na+ passe dans le compartiment 2  si UK+> UNa+ : passage de K+ pas complétement compensé par le retour de Na+.  accumulation de charges positives dans 1 et négatives dans 2(baisse de cations) 1 2 Na+ K+ - Na+ Vitesse de diffusion de K+ > Vitesse de diffusion de Na+ Cl + - Cl- + - + - K+ + - 43  DIFFUSION DU SOLUTÉ DIFFUSION A TRAVERS UNE MEMBRANE SELECTIVE A- Membrane perméable à deux cations de mobilités différentes UK+> UNa+ ddp de diffusion qui ralenti le passage de K+ et favorise celui de Na+ RT U K  [ K  ]2  U Na  [ Na  ]2 La Relation de Goldman donne V1  V2  ln F U K  [ K  ]1  U Na  [ Na  ]1 l’expression de ce potentiel de diffusion La ddp de diffusion aboutit à l’égalisation des flux pour les deux cations: Φ𝑁𝑎+ + Φ𝐾+ = 0 ou Φ𝑁𝑎+ = Φ𝐾+ Les ions continuent à diffuser et après un délai suffisant, l’équilibre est atteint: Avec 𝑉1 − 𝑉2 = 0 et 𝐾 + 1𝑓 = 𝐾+ 2𝑓 𝑒𝑡 𝑁𝑎+ 1𝑓 = 𝑁𝑎 + 2𝑓 44  DIFFUSION DU SOLUTÉ DIFFUSION A TRAVERS UNE MEMBRANE SELECTIVE B- membrane perméable à un seul type d’ions On suppose que dans les solutions 1 et 2, seul H+ peut diffuser avec [H+]1i>[H+]2i. H+ passe dans le compartiment où il est le moins concentré (2)  excès de charge + dans 2, car Cl- ne peut pas suivre apparition progressive d’une ddp de membrane qui stoppe le passage de H+ alors que les [H+]1et [H+]2 ne sont pas égales 1 2 1 2 H+ Na+ Cl- H+ Na+ H+ H+ - + Ca2+ - + Ca2+ Cl- - + Cl- SO42- - + SO42- 45  DIFFUSION DU SOLUTÉ DIFFUSION A TRAVERS UNE MEMBRANE SELECTIVE B- membrane perméable à un seul type d’ions À l’équilibre  H+ ne diffuse plus car: il y a égalisation du potentiel électrochimique pour H+ dans les deux 𝜇1 𝜇2 compartiments + 𝑉1 = + 𝑉2 𝑧𝐹 𝑧𝐹 𝜇2 𝜇1 𝜇2 −𝜇1  𝑉1 − 𝑉2 = − = 𝑧𝐹 𝑧𝐹 𝑧𝐹 RT [ H  ]2 f V V  ln Relation de NERNST [H  ] 1 2 zF 1f 46  DIFFUSION DU SOLUTÉ DIFFUSION A TRAVERS UNE MEMBRANE SELECTIVE B- membrane perméable à un seul type d’ions RT [ X  ]2 f expression générale de la relation de Nernst: V1  V2  ln zF [ X  ]1 f la relation de Nernst est applicable à l’équilibre pour chaque ion diffusible exemple si SO42- est aussi diffusible, il y aura égalisation de son potentiel 2 électrochimique dans les deux compartiments : V  V  RT ln 4 2]2 f [ SO  2F 1 2 [ SO4 ]1 f 𝐻 + 2𝑓 [𝑆𝑂4 2− ]1𝑓 donc à l’équilibre nous aurons = 𝐻 + 1𝑓 𝑆𝑂4 2− 2𝑓 47  DIFFUSION DU SOLUTÉ DIFFUSION A TRAVERS UNE MEMBRANE SELECTIVE C- membrane perméable aux petits ions et imperméable aux macro-ions On considère les solutions 1 et 2, avec les compositions suivantes: R- est un macro-ion qui ne diffuse pas Les autres ions diffusent selon leurs gradients de concentration À l’équilibre, il y a égalisation du potentiel électrochimique pour chacun des ions diffusibles (ici Na+ et Cl-) pour lesquels on applique la relation de Nernst 1 2 1 2 eau eau eau eau R- R- Na+ Na+ Na+ Cl- Cl- Cl- 48  DIFFUSION DU SOLUTÉ DIFFUSION A TRAVERS UNE MEMBRANE SELECTIVE C- membrane perméable aux petits ions et imperméable aux macro-ions R- qui ne traverse pas est à l’origine d’un excès de charges négatives dans le compartiment 1. R- repousse Cl- vers 2 + et attire Na vers 1 Maintient de l’électroneutralité À l’équilibre, il y a égalisation du potentiel électrochimique pour Na+ et pour Cl-. Avec 𝑁𝑎+ 1 > 𝑁𝑎+ 2 et 𝐶𝑙 − 2 > 𝐶𝑙 − 1 (car 𝑁𝑎+ attiré et 𝐶𝑙 − repoussé) 49  DIFFUSION DU SOLUTÉ DIFFUSION A TRAVERS UNE MEMBRANE SELECTIVE C- membrane perméable aux petits ions et imperméable aux macro-ions [ Na  ]2 [Cl  ]1  [ Na ]1 [Cl  ]2  [ Na  ]1  [Cl  ]1  [ Na  ]2  [Cl  ]2 relation de Gibbs Donnan Ce phénomène se retrouve au niveau des cellules vivantes 50  APPLICATIONS Potentiel électrique cellulaire Potentiel de repos Potentiel d’action Filtration le long d’un capillaire Absorption intestinale 51 POTENTIEL ÉLECTRIQUE CELLULAIRE a) Potentiel de repos Les membranes cellulaires sont tout le temps soumises à  Potentiel de diffusion car inégalité des perméabilités au K+ et Na+  Imperméabilité aux protéines : équilibre de Gibbs Donnan environ (5 mV)  En plus de la pompe à sodium à fonctionnement électrogénique (10 %) qui fait sortir 3 Na+ de la cellule et entrer 2 K+, en utilisant de l’ATP Tous ces phénomènes contribuent à l’existence d’un potentiel de membrane Ce potentiel est d’environ -75mV, négatif à l’intérieur et positif à l’extérieur 52  POTENTIEL ÉLECTRIQUE CELLULAIRE a) Potentiel de repos les canaux à K+ sont ouverts au repos et les canaux à Na+ sont fermés  la perméabilité au K+ est supérieure à celle du Na+ au repos Le potentiel de repos est plutôt proche de celui causé par K+(-90 mV) VIK+ – VEK+ = RT/F.ln (K+E/K+I) = 8,31. (273 + 37)/96500.ln 5/150 = - 90 mV Il est plus loin de celui causé par Na+: VINa – VENa = RT/F.ln (Na+E/Na+I) = 8,31. (273 + 37)/96500.ln 140/12 = + 65 mV 53  POTENTIEL ÉLECTRIQUE CELLULAIRE a) Potentiel de repos Le calcul du potentiel de repos de la cellule est surtout basé sur K+ et Na+ VCell = VInt – VExt en particulier à cause de l’installation du potentiel de diffusion (mobilités ≠) Selon la Relation de GOLDMAN et Comme UK+ >> UNa+ 54 POTENTIEL ÉLECTRIQUE CELLULAIRE b) Potentiel d’action (cellules nerveuses, cardiaques) C’est une inversion brutale et transitoire du potentiel de repos Suite à l’ouverture de canaux à Na+ et la fermeture de canaux à K+. Causée par un stimulus : chimique, électrique ou mécanique  perméabilité membranaire au Na+ devient supérieure à celle du K+. On dit qu’il y a dépolarisation de la membrane: Vintdevient>0 et Vextdevient0 et Vintra 0 (DPHyd ˃ DPonc) Capillaire veineux : F12 =K.S[(12-10)-(28-10)] F12 = K.S (2 - 18) = -16.K.S sang) et peut atteindre 100 mmHg: l’eau diffuse vers le sang. En plus de P (