CM_Origine Em_Objectifs et Chapitres I et II.pdf

ORIGINE DU POTENTIEL ELECTRIQUE DE MEMBRANE Il s’agit d’un enseignement de physiologie animale et plus précisément de physiologie animale cellulaire et membranaire. Quels sont les objectifs de cet enseignement ? De façon très schématique, il est possible de visualiser les cellules animales comme...

ORIGINE DU POTENTIEL ELECTRIQUE DE MEMBRANE Il s’agit d’un enseignement de physiologie animale et plus précisément de physiologie animale cellulaire et membranaire. Quels sont les objectifs de cet enseignement ? De façon très schématique, il est possible de visualiser les cellules animales comme des sacs délimités par une membrane, la membrane plasmique, dont l’existence définit deux compartiments ; un compartiment intracellulaire et un compartiment extracellulaire. Le principal constituant de ces deux compartiments est la molécule d’eau et l’eau peut passer à travers la membrane plasmique de la plupart des cellules animales, posant ainsi le problème du maintien du volume cellulaire. Membrane plasmique H2O H2O Compartiment Compartiment intracellulaire Cellule animale extracellulaire Le premier objectif de ce cours est donc de vous présenter ; Quelle stratégie adopte la cellule animale pour préserver son volume ? Nous verrons qu’il est possible, en implantant une microélectrode de verre (remplie d’un liquide bon conducteur de l’électricité et dont le diamètre à la pointe est inférieur à 1 µm) dans une cellule animale, de mesurer à l’aide d’un voltmètre une différence de potentiel entre l’intérieur et l’extérieur de la cellule. Voltmètre Microélectrode de verre Liquide bon conducteur de l’électricité (solution saline concentrée) E2 E1 < E2 Ø < 1 µm E1 Cellule animale Si E1 est le potentiel à l’intérieur de la cellule et E2 le potentiel à l’extérieur, on observe E1 < E2 (l’intérieur de la cellule est négatif par rapport à l’extérieur). 1 Cette différence de potentiel électrique transmembranaire est appelée potentiel de membrane de la cellule et est notée Em. Il s’agit d’une propriété électrique fondamentale des cellules animales. Em est stable durant toute la vie de la cellule (excepté dans le cas des cellules excitables que sont notamment les cellules nerveuses et musculaires que vous verrez dans les deux autres parties de cet enseignement). Une cellule excitable est une cellule qui est capable de faire varier son potentiel de membrane en réponse à un stimulus. Le second objectif de ce cours est de définir ; Quelle est l’origine de ce potentiel de membrane et quelles sont les raisons de sa stabilité ? Cet enseignement traite de propriétés communes à toutes les cellules animales. Dans les deux autres parties du cours, vous détaillerez comment les cellules excitables nerveuses et musculaires font varier leur potentiel de membrane et quelle est l’importance de ces signaux électriques. I - COMPOSITION DES MILIEUX INTRA- ET EXTRACELLULAIRE Quand on parle de molécules en biologie, on pense immédiatement à toutes les molécules particulières qui sont propres aux organismes vivants, telles que les protéines et les acides nucléiques. Seulement si on dissocie un organisme vivant, un être humain par exemple, en molécules et que l’on répartie ces molécules qui le constituent en différentes classes, on s’aperçoit que les molécules biologiques ne représentent que 0.25% du total. La grande majorité des molécules constituant un être vivant s’avère en fait extrêmement ordinaires. La molécule la plus fréquente est la molécule d’eau. L’eau peut représenter jusqu’à 75% du poids corporel d’un être humain. La molécule d’eau étant de faible poids moléculaire par rapport aux autres molécules de l’organisme, protéines et acides nucléiques notamment, le fait que l’eau représente jusqu’à 75% du poids corporel signifie que 99% des molécules d’un organisme vivant sont des molécules d’eau. La composition en molécules d’un être humain est donc : - pour 0.25%, des molécules biologiques ; protéines, acides nucléiques…, - pour 99%, des molécules d’eau, - pour 0.75%, des substances inorganiques simples correspondant pour l’essentiel aux ions Na+, K+ et Cl-. La première partie de l’enseignement de Physiologie Animale concerne pour une large part 99.75% des molécules d’un organisme vivant ; l’eau et les ions inorganiques. Pourquoi étudier ces molécules extrêmement banales ? Simplement car la vie n’est possible que parce que les cellules possèdent des mécanismes de contrôle de la distribution de l’eau et des ions de part et d’autre de leur membrane. 2 L’eau est répartie dans l’organisme dans deux compartiments, les compartiments intra- et extracellulaire séparés l’un de l’autre par la membrane plasmique des cellules. Environ 55% de l’eau se trouve à l’intérieur des cellules, le reste étant à l’extérieur. On trouve des substances organiques et inorganiques dissoutes dans l’eau intra- et extracellulaire mais les compositions des liquides intra- et extracellulaire sont différentes. La composition simplifiée des milieux intra- et extracellulaire pour une cellule de mammifère typique est la suivante : Concentration intracellulaire Concentration extracellulaire (en mM) (en mM) K+ 125 5 Na+ 12 120 Cl- 5 125 A- 108 0 H2O 55 000 55 000 Ce tableau est très simplifié car il ne contient que les substances qui jouent un rôle dans les propriétés osmotiques et électriques des cellules qui seront détaillées dans ce cours. On constate que les charges positives sont représentées par les ions Na + (120 mM) dans le milieu extracellulaire et par les ions K+ (125 mM) dans le milieu intracellulaire. Concernant les charges négatives, elles sont représentées par les ions Cl- (125 mM) dans le milieu extracellulaire et par un ensemble de constituants chargés négativement tels que des protéines, des acides aminés, des ions sulfates, des ions phosphates, … regroupés sous le terme A- (108 mM) dans le milieu intracellulaire. Ce tableau rapporte aussi les concentrations en eau des milieux intra- et extracellulaire pour souligner d’une part l’importance de ces concentrations et d’autre part que ces concentrations sont identiques dans les deux compartiments afin comme nous le verrons plus loin que le volume cellulaire soit préservé. Pour débuter la description des propriétés osmotiques et électriques des cellules animales, nous allons rappeler les mécanismes responsables des mouvements de molécules à travers leur membrane plasmique. Nous focaliserons ensuite sur le transport membranaire de l’eau et des ions. II - LES MOUVEMENTS DE MOLECULES A TRAVERS LA MEMBRANE PLASMIQUE Les constituants cellulaires sont séparés du milieu extracellulaire environnant par une fine couche de lipides et de protéines ; la membrane plasmique. On se souvient de la différence de composition des milieux intra- et extracellulaire et notamment de la différente répartition des ions de part et d’autre de la membrane. Les constituants chargés négativement notés A- sont par exemple situés exclusivement à l’intérieur des cellules. La membrane plasmique constitue donc une 3 barrière séparant les compartiments intra- et extracellulaire. Or pour vivre, une cellule doit effectuer des échanges avec le milieu extracellulaire. Les cellules doivent ingérer des substances nutritives et de l’O2 et excréter des déchets métaboliques et du CO2. La membrane plasmique a donc une perméabilité sélective. Comme vous le verrez plus loin, de nombreuses fonctions physiologiques se réalisent grâce à des changements de perméabilité de la membrane plasmique. Vous étudierez par exemple qu’un message nerveux est du à un changement de perméabilité de la membrane plasmique pour les ions Na+ et K+. Avant de décrire les mécanismes du transport membranaire, voici quelques rappels essentiels concernant la structure de la membrane plasmique. Vous trouverez une description plus approfondie de ces notions dans vos enseignements de Biologie Cellulaire. 1 - Rappels concernant la structure de la membrane plasmique Toutes les membranes biologiques ont la même structure générale ; une bicouche lipidique dans laquelle sont insérées des protéines. La bicouche lipidique constitue la barrière qui empêche la diffusion de la plupart des molécules à travers la membrane plasmique. La bicouche est constituée pour l’essentiel de phospholipides (plus de 50%), de cholestérol et de glycolipides (localisés seulement sur le feuillet externe de la membrane). Les propriétés amphiphiles des phopholipides expliquent que les membranes biologiques aient la même structure de base ; des « sandwichs » composés de de deux feuillets de phopholipides dont les « têtes » polaires sont exposées à l’eau se trouvant à l’intérieur et à l’extérieur de la cellule et dont les « queues » non polaires se font face dans la portion interne de la membrane. Il n’y a pas de liaison covalente entre les lipides membranaires d’où la possibilité pour la membrane plasmique de se plier et de s’invaginer. Les protéines membranaires définissent les chemins qui permettent le passage sélectif des substances à travers la membrane. Ces dernières sont soit périphériques (et alors localisées sur le feuillet interne de la membrane), soit intégrées et souvent transmembranaires. C’est parmi ces protéines intégrées transmembranaires que se trouvent les deux classes de protéines de transport membranaire. → les protéines porteuses caractérisées par une liaison spécifique au soluté, un changement de conformation de la protéine et un transport de l’ordre de 103 ions/s. → les canaux protéiques qui peuvent être vus comme des pores remplis d’eau traversant la bicouche, pour lesquels la liaison spécifique au soluté est moins évidente et caractérisés par un transport de 106 à 107 ions/s. Pour vivre les cellules animales effectuent des échanges avec le milieu extérieur et de nombreuses molécules traversent donc leur membrane plasmique. Voyons désormais quels sont les mécanismes de ce transport membranaire. 4  2 - La diffusion comme mécanisme de transport membranaire 2.1 - Rappels sur la diffusion La diffusion est le principal mécanisme de transport membranaire. La plupart des substances qui traversent la membrane plasmique des cellules le font par diffusion. La diffusion est le phénomène physique qui permet le déplacement des molécules dans un solvant. L’énergie nécessaire à ce déplacement est fournie par l’énergie thermique d’où le nom d’agitation thermique encore donné à ce phénomène. La vitesse de diffusion dépend de la température et de la masse de la molécule qui diffuse. A 37°C par exemple, une molécule d’eau (H2O, Poids moléculaire = 18 g.mol-1) se déplace à une vitesse moyenne de 2500 km.h -1) tandis qu’une molécule de glucose (C6H12O6, Poids moléculaire = 180 g.mol-1) se déplace à une vitesse moyenne de 850 km.h-1). Ces vitesses élevées de diffusion concernent toutefois des déplacements linéaires qui ne se produisent pas dans les conditions physiologiques normales en raison du très grand nombre de molécules en solution et des collisions qui vont se produire inévitablement. Dans une solution d’eau, chaque molécule d’eau est en effet séparée de ses voisines par une distance d’environ 0.3 nm (0.3 * 10-9 m). Lors de leur déplacement par diffusion, les molécules entrent en collision les unes avec les autres et il se produit donc plusieurs millions de collision par seconde. Les molécules ne se déplacent pas en ligne droite mais plutôt de la façon suivante ; La diffusion conduit en réalité au déplacement aléatoire des molécules. Il n’y a pas de direction préférentielle de diffusion pour une molécule donnée. Toutefois si on considère, non pas une molécule individuelle mais un ensemble de molécules, nous allons voir qu’il est possible de définir les notions d’amplitude et de direction de la diffusion. Considérons l’expérience suivante qui consiste à créer artificiellement une différence de concentration. Soit un récipient avec en son centre une séparation virtuelle définissant deux compartiments. Le compartiment 1 contient au début de l’expérience (instant initial A), une solution de glucose à 20 mM tandis que le compartiment 2 ne contient que de l’eau. Temps initial A de l’expérience H2O [glucose] = 20 mM 1 2 Flux de diffusion Séparation virtuelle 5 En raison du phénomène d’agitation thermique, les molécules en solution sont toujours en mouvement et entrent continuellement en collision les unes avec les autres. Elles tendent ainsi à s’éloigner des régions dans lesquelles elles sont le plus concentrées et à se distribuer de façon égale dans le récipient. Si on s’intéresse dans cette expérience au déplacement des molécules de glucose, on met en évidence un déplacement préférentiel de ces molécules du compartiment 1 vers le compartiment 2. Pour quantifier ce déplacement, on définit la notion de flux de diffusion qui correspond au nombre de molécules de soluté diffusant à travers une surface par unité de temps (unité du flux : moles/sec.cm2). Et on peut noter que l’amplitude du flux de diffusion est fonction de la concentration des molécules qui diffusent. Si on considère le récipient un temps après le début de l’expérience (instant B) et qu’à nouveau, on s’intéresse au déplacement des molécules de glucose. Temps B 1 2 On doit désormais considérer l’existence de deux flux de diffusion ; - un flux de diffusion de 1 vers 2, F1→2 - un flux de diffusion de 2 vers 1, F2→1 d’où la nécessité pour quantifier le déplacement des molécules de glucose d’introduire la notion de flux net de diffusion. Le flux net de glucose est défini par : Fnet = F1→2 - F2→1 Le flux net de diffusion détermine - le gain net de glucose par le compartiment 2 - la perte nette de glucose par le compartiment 1 et on observe avec le temps que la [glucose]2 augmente et que la [glucose]1 diminue. Comment va évoluer ce processus de diffusion ? Au bout d’un certain temps, on aura [glucose]2 = [glucose]1 = 10 mM et donc F1→2 = F2→1 expliquant que le flux net de glucose est nul. 6 Le système aura atteint ainsi un équilibre de diffusion caractérisé par un flux net de diffusion nul (instant C). La cinétique de ce processus de diffusion peut être représentée de la façon suivante : [glucose] (en mM) 20 - Equilibre de diffusion C1 = [glucose]1 C1 = C2 = 10 mM Fnet = 0 10 - C2 = [glucose]2 0- temps A B C Temps C 1 2 Ce qui intéresse le biologiste, c’est le flux net de diffusion qui est déterminé en amplitude et en direction par le gradient de concentration. Ce dernier correspond à la différence de concentration qui existe pour une substance donnée entre deux régions voisines. Le flux net de diffusion est dirigé dans le sens du gradient de concentration, c'est-à-dire de la région la plus concentrée vers la région la moins concentrée. Le mouvement net de molécules s’effectue jusqu’à ce que soit atteint l’équilibre de diffusion caractérisé par l’annulation du gradient de concentration. Les molécules individuelles sont encore en mouvement à l’équilibre, mais pour chaque molécule qui sort d’une région, une autre entre, de sorte que le flux net de diffusion est nul. L’amplitude du flux net de diffusion dépend de l’amplitude du gradient de concentration et des facteurs suivants ; - température, - poids moléculaire de la molécule qui diffuse, - viscosité du solvant - et surface offerte à la diffusion. Quelques mots sur la vitesse de la diffusion pour clore ces rappels. 7 On a vu qu’à 37°C, une molécule de glucose diffuse en ligne droite à la vitesse moyenne de 850 km.h-1. Cependant, compte tenu du grand nombre de molécules en solution et des collisions engendrées, la molécule de glucose ne diffuse pas à cette vitesse. Le processus de diffusion est en réalité un moyen efficace et rapide pour que les molécules se déplacent sur de courtes distances mais il s’avère complétement inefficace dès que les distances à parcourir s’allongent. Soit un tissu situé à proximité d’un vaisseau sanguin dans lequel la concentration en glucose circulant est de 1 g.l-1. On considère 2 points du tissu situés respectivement à 10 µm (point A, 10 µm = 0.01mm) et 10 cm (point B, 10 cm = 100 mm) du vaisseau sanguin. En considérant que la concentration en glucose est nulle aux points A et B à l’instant t = 0 et que le glucose se déplace par diffusion, combien de temps faut-il pour le glucose atteigne une concentration égale à 90% de la concentration sanguine (soit 0.9 g.l-1) aux points A et B ? x point B tissu 10 cm = 100 mm vaisseau sanguin x point A [glucose] = 1 g.l-1 10 µm = 0.01 mm Au point A situé à 10 µm du vaisseau sanguin, il faut 3.5 s pour que le glucose atteigne une concentration égale à 0.9 g.l-1 (et il faudrait environ 10 heures pour qu’il en soit de même au point B situé à 10 µm du vaisseau sanguin si le glucose diffusait en ligne droite). Or du fait des collisions, il faut en réalité 11 ans pour que concentration en glucose soit égale à 0.9 g.l-1 au point B situé à 10 cm du vaisseau sanguin. La diffusion étant le principal mécanisme de transport membranaire, le fait que cette dernière ne soit efficace que sur de courtes distances explique que la plupart des cellules sont situées à moins de 0.1 mm (= 100 µm) des capillaires les plus proches. La longueur cumulée des capillaires de l’organisme humain adulte est d’environ 80 000 km pour une surface d’échange de plus de 6 300 m2 (surface équivalente à celle de 2 terrains de foot). 2.2 - Diffusion à travers les membranes C’est le problème qui intéresse le biologiste. Soit un récipient contenant une solution de soluté S. La concentration en soluté S dans le récipient est égale à Co. On place une cellule animale dans le récipient dont la membrane est perméable au soluté S et on précise d’une part que le volume du récipient est très grand devant le volume cellulaire de sorte qu’on puisse considérer que Co ne varie pas et d’autre part que la cellule ne contient pas de soluté S à l’instant initial. 8  Solution de soluté S [S] = Co et V3récipient >> V3cellule si bien que Co ne Ci varie pas. Cellule animale dont la membrane est perméable au soluté S (et Ci nulle à t = 0). La cinétique du changement de la concentration intracellulaire en soluté S (Ci) est : Concentration intracellulaire en soluté S Equilibre de diffusion Ci = Co Co - Ci 0- temps L’amplitude du flux net de diffusion (avant que Ci soit égale à Co) dépend ; → du gradient de concentration, Co - Ci → et d’un coefficient de perméabilité, P. Le coefficient de perméabilité P dépend lui-même de façon plus ou moins complexe ; → du poids moléculaire de la molécule qui diffuse, → de la température, → et d’un coefficient de dissolution dans la membrane de la molécule qui diffuse. Le coefficient de perméabilité P exprime la facilité avec laquelle une molécule traverse une membrane. P est en général difficile à déterminer expérimentalement. Pour bien illustrer à quoi P correspond, nous allons considérer la première loi de la diffusion de Fick qui donne le flux net de diffusion à travers la membrane et appliquer l’équation aux dimensions à cette relation. F = P (Co - Ci) moles/sec.cm2 moles/cm3 cm/sec Le coefficient de perméabilité P est donc une vitesse en cm/sec qui correspond en fait à la vitesse de passage de la molécule à travers la membrane. 9 Les biophysiciens ont mis en évidence une relation entre le coefficient de perméabilité P de différentes molécules organiques et leur structure moléculaire. Il a été constaté que la plupart des molécules polaires et des molécules ionisées entrent lentement dans les cellules tandis que les molécules non polaires entrent rapidement. En fait, de nombreuses molécules traversent la membrane plasmique par diffusion (principal mécanisme de transport membranaire) mais suivant les molécules, le processus de diffusion se déroule au niveau de la bicouche lipidique ou bien au niveau de protéines membranaires. Diffusion à travers la bicouche lipidique Si on lui laisse le temps, pratiquement toute molécule diffusera à travers une double couche lipidique ne contenant pas de protéines dans le sens de son gradient de concentration. Néanmoins, plus la molécule est petite et non polaire, plus elle diffusera rapidement à travers une bicouche lipidique. En utilisant des bicouches lipidiques artificielles, il a ainsi été mis en évidence que ; → les petites molécules non polaires, comme O2 et CO2, se dissolvent facilement dans la bicouche lipidique et diffusent donc rapidement au travers. Ces molécules traversent donc la membrane plasmique des cellules par diffusion au niveau de la bicouche lipidique. → Les molécules polaires non chargées de petite taille, comme les molécules d’eau et d’urée, diffusent également rapidement au niveau d’une bicouche lipidique. Elles sont donc également capables de traverser la membrane plasmique des cellules par diffusion au niveau de la bicouche lipidique. → Par contre, les grosses molécules polaires non chargées, comme le glucose, traversent très lentement les bicouches lipidiques → et toutes les molécules chargées quelle que soit leur taille, telles que les ions Na+, K+, et Cl-, diffusent extrêmement difficilement au niveau d’une bicouche lipidique. La charge électrique et le degré d’hydratation de ces molécules les empêchent de pénétrer dans la phase hydrocarbonée de la bicouche. Il est cependant établi que le glucose et les ions diffusent très rapidement à travers la membrane plasmique des cellules et nous allons voir que ces processus de diffusion ne se déroulent pas au niveau de la bicouche lipidique mais au niveau de protéines intégrées dans cette bicouche. Diffusion à travers les canaux protéiques Parmi les protéines intégrées transmembranaires de la membrane plasmique des cellules, nombreuses sont celles impliquées dans le transport membranaire et parmi celles-ci, certaines, appelées canaux protéiques, définissent des pores dans la membrane. Certains de ces canaux protéiques sont spécialisés dans le passage des ions à travers la membrane et sont appelés canaux ioniques. Et finalement si les ions diffusent rapidement à travers les membranes plasmiques des cellules, c’est parce qu’ils les traversent au niveau de ces canaux ioniques. 10 En général, les canaux ioniques sont sélectifs d’un ion donné ; on distingue des canaux sodiques, spécialisés dans le passage des ions sodium à travers la membrane, des canaux potassiques, des canaux chlores, …, et il existe également des canaux ioniques non sélectifs. Les canaux ioniques peuvent le plus souvent se trouver dans deux états différents ; un état fermé et un état ouvert et plusieurs stimuli (électrique, chimique ou mécanique) sont responsables du passage d’un état à l’autre du canal. Le fonctionnement des canaux ioniques vous sera détaillé plus loin puisque les propriétés électriques des cellules et notamment des cellules excitables nerveuses et musculaires reposent sur ce fonctionnement. On doit toutefois noter ici que le fait que des canaux ioniques soient impliqués dans le passage des ions à travers la membrane plasmique des cellules offre la possibilité de contrôler ce transport membranaire suivant l’état ouvert ou fermé dans lequel se trouvent les canaux. Vous verrez plus loin l’importance physiologique de ce contrôle. Tous les canaux protéiques ne sont pour autant pas des canaux ioniques et il a par exemple été mis en évidence l’existence de canaux protéiques impliqués dans le transport membranaire de l’eau. On parle alors de canal hydrique ou d’aquaporine. L’existence de ces canaux a été mise en évidence par l’observation que la membrane des cellules rénales était bien plus perméable à l’eau que ce que le passage par diffusion de l’eau à travers les bicouches lipidiques artificielles ne le laissait présager. Souvenez-vous que le rein filtre et réabsorbe 180 litres d’eau par 24 heures. Et en fait si la membrane plasmique des cellules rénales est très perméable à l’eau, c’est en raison de la présence de ces canaux hydriques qui ont aussi été décrits dans la membrane de nombreuses autres cellules. Et à nouveau comme dans le cas des canaux ioniques, l’existence de ces aquaporines offre une possibilité de contrôle de la perméabilité de la membrane à l’eau puisque le nombre et le fonctionnement des canaux hydriques peuvent être régulés. Ce type de régulation est par exemple rencontré lors d’une hémorragie importante. Dans cette condition, la réduction de la volémie est détectée par des barorécepteurs situés dans l’oreillette gauche ce qui provoque la libération de l’hormone antidiurétique (ADH) par la neurohypophyse. L’ADH va alors notamment favoriser l’accroissement de l’expression d’une aquaporine dans la membrane des cellules des tubules collecteurs rénaux, augmentant ainsi la réabsorption rénale de l’eau et diminuant la diurèse pour préserver le volume sanguin. 3 - Autres mécanismes de transport membranaire 3.1 - La diffusion facilitée Certaines molécules comme le glucose diffusent très lentement à travers la bicouche lipidique (en tant que molécule polaire non ionisée de grande taille) et sont trop grosses pour passer par les canaux protéiques de la membrane plasmique. Comme dans le cas des ions, ces molécules traversent pourtant très rapidement les membranes plasmiques grâce à un mécanisme de transport appelé diffusion facilitée. Ce mécanisme fait intervenir certaines des protéines porteuses de la 11 membrane. Ces protéines intégrées transfèrent le soluté à travers la membrane en subissant un changement de conformation réversible qui expose le site de liaison du soluté sur une face de la membrane puis sur l’autre face. En tant que processus de diffusion, la diffusion facilitée se fait toujours dans le sens du gradient de concentration (du compartiment le plus concentré vers le moins concentré). Cependant, contrairement à la diffusion simple, la diffusion facilitée est très sélective ; le ligand se liant seulement à la protéine porteuse qui présente la forme complémentaire. La diffusion facilitée est donc limitée par le nombre de protéines porteuses. Et comme dans le cas des canaux protéiques, l’implication de protéines porteuses dans le transport membranaire d’une molécule permet la régulation de ce transport par le contrôle de l’expression et/ou du fonctionnement de ces protéines intégrées. Le transport membranaire du glucose est ainsi régulé par l’insuline, hormone hypoglycémiante. Après un repas, la concentration du glucose dans le sang augmente et l’insuline est secrétée par les cellules bêta des îlots de Langerhans du pancréas. L’insuline réduit ainsi la glycémie en augmentant la diffusion facilitée du glucose au niveau du tissu adipeux et du muscle strié (cardiaque et squelettique) d’une part en augmentant le nombre de protéines porteuses impliquées dans le transport membranaire du glucose et d’autre part en favorisant leur fonctionnement. Pour clore cette implication de la diffusion comme principal mécanisme de transport membranaire, considérons le schéma récapitulatif suivant ; Petit soluté non polaire Gros soluté polaire O2, CO2 non ionisé Petit soluté polaire non ionisé glucose H2O, urée Ions Na+, K+, Cl- canal canal Ext. protéique ionique membrane plasmique Int. protéine porteuse gradient gradient de électrochimique concentration Diffusion simple Diffusion facilitée Représentation schématique des transports par diffusion à travers la membrane plasmique 12 Dans le cas des ions, on considère le gradient électrochimique et non pas le gradient de concentration en raison du fait que ces substances sont chargées électriquement et que le potentiel de membrane de la cellule influence leur déplacement (le fait que l’intérieur de la cellule soit négatif par rapport à l’extérieur attire par exemple les charges positives dans la cellule puisqu’en électricité les charges de signes opposés s’attirent entre elles). Cette notion sera détaillée plus loin dans le cours. 3.2 - Le transport actif Comme la diffusion facilitée, le transport actif implique des protéines porteuses se liant spécifiquement et de manière réversible avec les substances à transporter. Par contre, les protéines porteuses du transport actif déplacent les solutés, principalement des acides aminés et des ions, contre leur gradient de concentration (vers le compartiment le plus concentré) dans le cas des acides aminés et contre leur gradient électrochimique dans le cas des ions. Les transports actifs nécessitent une source externe d’énergie. Un exemple de transport actif, la pompe à sodium-potassium, sera présenté plus loin dans ce cours. Son fonctionnement peut-être schématisé de la façon suivante ; gradient électrochimique de l’ion K+ Na+ Ext. membrane pompe à plasmique sodium - potassium Int. ATP K+ ADP + Pi gradient électrochimique de l’ion Na+ Représentation schématique du fonctionnement dun transport actif : la pompe à sodium-potassium Le gradient électrochimique de l’ion sodium est entrant car à la fois le gradient de concentration pour cet ion et le champ électrique transmembranaire (l’intérieur est négatif par rapport à l’extérieur) sont en faveur de l’entrée de ces ions positifs dans la cellule. La pompe à sodium-potassium fait donc entrer des ions potassium dans la cellule et sortir des ions sodium, déplaçant ces ions contre leurs gradients électrochimiques respectifs. La source d’énergie nécessaire à ce transport actif est d’origine métabolique puisqu’il s’agit de l’hydrolyse de l’adénosine triphosphate (ATP). Nous 13 verrons plus loin le rôle essentiel joué par ce transport actif dans la physiologie des cellules animales. 3.3 - Le transport en vrac Les grosses particules et les macromolécules se déplacent à travers la membrane plasmique des cellules grâce au transport en vrac. Comme dans le cas du transport actif, le transport en vrac a besoin de l’énergie fournie par l’hydrolyse de l’ATP. Il correspond à ; - l’exocytose : mécanisme de transport qui fait passer les grosses particules et macromolécules de l’intérieur vers l’extérieur de la cellule. Vous verrez par exemple comment l’exocytose permet la libération du neurotransmetteur (acétylcholine) lors de la transmission synaptique à la jonction neuromusculaire. - l’endocytose : mécanisme de transport qui permet aux grosses particules et macromolécules d’entrer dans la cellule. 4 - Mouvements d’eau et maintien du volume cellulaire L’eau est le principal solvant des milieux intra- et extracellulaire. Elle traverse la membrane plasmique des cellules par diffusion. Ces mouvements d’eau sont complexes et incessants. 4.1 - Mise en évidence des mouvements d’eau Considérons trois éprouvettes contenant chacune des globules rouges ou hématies et une solution de chlorure de sodium à 0, 9 ou 100 g/l. NaCl 0 g/l NaCl 9 g/l NaCl 100 g/l + + + hématies hématies hématies 1 2 3 Après un certain temps d’expérience, on observe : phase contenu liquide homogène claire culot d’hématie 1 2 s 3 14 Un examen plus détaillé montre que ; - les hématies de l’éprouvette 1 ont éclaté et ont libéré leur hémoglobine dans le milieu, - les hématies de l’éprouvette 2 n’ont pas changé de volume, - les hématies de l’éprouvette 3 ont diminué de volume et ont pris l’aspect de pommes épineuses. Ces changements de volume des hématies sont liés à des mouvements d’eau à travers la membrane plasmique de ces cellules ; mouvements d’eau dont le sens et l’intensité sont liés à la concentration en soluté du milieu extérieur. Ces mouvements d’eau sont en fait expliqués par un phénomène physique appelé osmose. Nous allons d’abord illustrer le processus de l’osmose à l’aide d’exemples relatifs à des systèmes inorganiques puis nous discuterons de ses caractéristiques à travers la membrane plasmique des cellules. 4.2 - Molarité, osmolarité et diffusion de l’eau Si on vous demande de préparer 1 litre de solution de glucose à 100 mM et que vous prenez un litre d’eau dans un bécher pour y ajouter 18 grammes de glucose (0.1 mole de glucose pèse 18 g en raison du poids moléculaire de cette molécule qui est de 180 g/mol), la concentration en glucose de la solution finale sera en fait inférieure à 100 mM. 1 litre H2O + 18 g de glucose 1 2 Pourquoi ? La concentration molaire ou molarité d’une solution est définie par la relation : Molarité = nombre de moles de soluté / litre de solution Lorsqu’on ajoute le glucose dans le litre d’eau, les molécules de glucose prennent la place des molécules d’eau expliquant que le volume de la solution glucosée augmente et soit donc finalement supérieur à 1 litre. La molarité de la solution glucosée est donc inférieure à 100 mM. En pratique, il faut pour préparer un litre de solution glucosée à 100 mM, préparer par exemple 500 ml d’eau dans un bécher, y ajouter 18 g de glucose puis compléter avec de l’eau jusqu’à 1 litre une fois le glucose dissous. 15 Ce qui nous intéresse dans cette partie du cours, c’est les mouvements d’eau et donc les concentrations molaires en eau des solutions 1 et 2 puisque l’eau se déplace par diffusion dans le sens de son gradient de concentration. Quelles sont les molarités en eau des solutions 1 et 2 ? Concernant la solution 1 (un litre d’eau dans le bécher), [H2O]1 = 55.5 M En effet, une mole d’eau pesant 18 g et un litre d’eau pesant 1 kg soit 1000 g, la concentration en eau de la solution 1 est : [H2O]1 = 1000 / 18 = 55.5 M Que devient la concentration en eau dans la solution 2 ? Le nombre de moles d’eau est le même dans les solutions 1 et 2 mais le volume de la solution 2 est plus grand que celui de la solution 1 (en raison de l’ajout de glucose) et il est donc possible d’écrire que [H2O]2 < [H2O]1 Comment donc comparer les concentrations en eau de solutions ayant des concentrations différentes de solutés ? C’est le concept d’osmolarité qui permet de faire cette comparaison. L’osmolarité est la grandeur qui permet de comparer les concentrations en eau de solutions ayant des concentrations différentes de solutés. L’osmolarité d’une solution dépend du nombre réel de particules distinctes dans la solution. Considérons par exemple les deux béchers suivant ; H2O H2O + + glucose 10 mM NaCl 10 mM 1 litre 1 litre 1 2 Ces deux solutions ont une molarité identique mais le chlorure de sodium NaCl donne dans l’eau Na+ + Cl- expliquant que l’osmolarité en 2 soit supérieure à l’osmolarité en 1. L’osmolarité d’une solution est définie par la relation : Osmolarité = molarité × nombre de particules après ionisation 16 Et donc dans le cas d’un corps non ionisable comme le glucose du bécher 1 ; Osmolarité = molarité osmoles/litre (Osm) moles/litre (M) mosmoles/litre (mOsm) mmoles/litre (mM) et donc dans le cas du bécher 1, [glucose]1 = 10 mM et osmolarité1 = 10 mOsm. A concentration molaire égale, le nombre de particules en solution est plus élevé pour un corps ionisable que pour un corps non ionisable. Dans le cas d’un corps ionisable comme le NaCl du bécher 2, qui donne dans l’eau Na+ + Cl- ; osmolarité = molarité × 2 et donc dans le cas du bécher 2, [NaCl]2 = 10 mM et osmolarité2 = 20 mOsm. Dans cet exemple, la [H2O] est donc plus importante dans la solution 1 (osmolarité de 10 mOsm) que dans la solution 2 (20 mOsm). A retenir : - Plus l’osmolarité d’une solution est élevée, plus faible est la [H2O] de cette solution. - Lorsque des solutions d’osmolarités différentes sont placées de part et d’autre d’une membrane perméable à l’eau, l’eau va diffuser à travers cette membrane dans le sens de son gradient de concentration, c'est-à-dire de la solution dont l’osmolarité est la plus faible vers celle dont l’osmolarité est la plus forte. Ce déplacement de l’eau par diffusion suivant son gradient de concentration est appelé osmose. ► Nous allons voir maintenant qu’en raison des mouvements d’eau, les propriétés de perméabilité des membranes peuvent modifier les volumes des solutions. Considérons l’exemple d’un récipient à paroi rigide au centre duquel se trouve une membrane élastique définissant deux compartiments 1 et 2, de un litre chacun, remplis initialement d’une solution de glucose à 100 et 200 mM, respectivement. Les gradients de concentration (représentés ci-dessous sous la forme de marches d’escalier) sont donc dirigés de 2 vers 1 pour le glucose puisque [glucose] 2 > [glucose]1 et de 1 vers 2 pour l’eau puisque osmolarité 2 > osmolarité1 c’est à dire que [H2O]2 < [H2O]1. 17  glucose Représentation schématique des gradients de concentration sous la forme de marches d’escaliers. H2O 1 2 membrane élastique paroi rigide 1 litre 1 litre glucose glucose 100 mM 200 mM La membrane élastique La membrane élastique est perméable à l’eau laisse passer l’eau et au glucose. mais pas le glucose. 1 2 1 2 2/3 litre 1 litre 1 litre glucose 4/3 litre glucose glucose glucose 150 mM 150 mM 150 mM 150 mM Deux cas de figure vont alors être considérés ; - la membrane élastique est perméable à l’eau et au glucose, - la membrane élastique laisse passer l’eau mais pas le glucose. Premier cas de figure, la membrane élastique laisse passer l’eau et le glucose. Que va-t-il se passer ? Le glucose diffuse du compartiment 2 vers le compartiment 1 dans le sens de son gradient de concentration. L’eau diffuse du compartiment 1 vers le compartiment 2 dans le sens de son gradient de concentration. Quand ces mouvements de glucose et d’eau vont-ils s’arrêter La diffusion du glucose de 2 vers 1 va s’arrêter quand [glucose] 1 = [glucose]2 = 150 mM. La diffusion de l’eau de 1 vers 2 va s’arrêter quand [H2O]1 = [H2O]2, c'est-à-dire quand osmolarité1 = osmolarité2, c'est-à-dire quand [glucose]1 = [glucose]2 = 150 mM. Ces équilibres de diffusion seront obtenus sans changement de volume des compartiments si bien qu’à l’équilibre, volume1 = volume2 = 1 litre. 18 Second cas de figure, la membrane élastique laisse passer l’eau mais pas le glucose. Que va-t-il se passer ? L’eau diffuse du compartiment 1 vers le compartiment 2 dans le sens de son gradient de concentration. Quand ce mouvement d’eau va t-il s’arrêter ? Comme précédemment, la diffusion de l’eau de 1 vers 2 va s’arrêter quand [H 2O]1 = [H2O]2, c'est-à-dire quand osmolarité1 = osmolarité2, c'est-à-dire quand [glucose]1 = [glucose]2 = 150 mM, mais cette fois, l’équilibre de diffusion sera obtenu au dépend d’un changement des volumes des compartiments. L’eau passe du compartiment 1 vers le compartiment 2 et étire la membrane élastique jusqu’à ce que [glucose]1 = [glucose]2 = 150 mM. Quel volume d’eau V’ va-t-il passer de 1 vers 2 pour que soit atteint l’équilibre ? Soit V le volume initial dans les compartiments 1 et 2 (V = 1 litre). On a toujours à l’équilibre 100 milli moles de glucose dans le compartiment 1 et 200 milli moles de glucose dans le compartiment 2 (puisque la membrane est imperméable au glucose). On a dit que la diffusion de l’eau s’arrête quand [H2O]1 = [H2O]2, c'est-à-dire quand osmolarité1 = osmolarité2, c'est-à-dire quand [glucose]1 = [glucose]2 = 150 mM. Il est donc possible d’écrire à l’équilibre ; - dans le compartiment 1, 100 / (V – V’) = 150 soit V - V’ = 100/150 = 2/3 - dans le compartiment 2, 200 / (V + V’) = 150 soit V + V’ =200/150 =4/3 si bien que V’ = 1/3 de litre. Si on veut prévenir les changements de volume des compartiments 1 et 2, il faudra exercer de 1 vers 2 une pression contre la membrane élastique afin d’éviter son étirement. Cette pression sera opposée à la pression hydrostatique qu’exerce l’eau accumulée dans le compartiment 2 sur la membrane. Cette pression, appelée pression osmotique, correspond à la pression de déplacement de l’eau suivant son gradient de concentration. 1 2 2/3 litre Représentation schématique Glucose 4/3 litre des pressions hydrostatique et osmotique. Glucose 150 mM 150 mM Revenons désormais au modèle cellulaire pour nous intéresser aux mouvements d’eau à travers la membrane plasmique et au maintien du volume cellulaire. 19  4.3 - Equilibre osmotique et volume cellulaire Très tôt dans l’évolution, le modèle cellulaire n’existait pas et la vie se limitait à quelques systèmes protéiques enzymatiques noyés dans un vaste milieu aqueux. Un problème majeur rencontré par ces systèmes acellulaires était de conserver à proximité leurs différents constituants (et notamment les substrats et produits des réactions enzymatiques). La solution à ce problème a été le développement d’une membrane, la membrane plasmique, imperméable à ces molécules organiques. C’est vraisemblablement l’apparition de la synthèse protéique qui est à l’origine du développement de la membrane plasmique et qui constitue le début de la vie cellulaire. Si cette membrane empêchait les protéines de diffuser loin de leur lieu de synthèse et permettait la mise en place de voies métaboliques à l’intérieur de la cellule, elle a aussi posé le problème important de l’atteinte d’un équilibre osmotique. ► Voyons à l’aide du modèle cellulaire suivant quel est ce problème de l’équilibre osmotique ? - P = protéines (molécules membrane plasmique organiques). - S = solutés communs aux P milieux intra- et extracellulaire. S S S et H2O peuvent traverser la membrane H2O mais pas P. H2O Ce modèle cellulaire offre l’intérêt de maintenir à l’intérieur du sac cellulaire les molécules organiques supports de l’activité cellulaire. Sur le plan de la diffusion, un système cellulaire simple comme celui-ci sera à l’équilibre quand les différentes molécules capables de diffuser à travers la membrane auront chacune atteint leur équilibre de diffusion. Pour le soluté S ; L’équilibre de diffusion sera atteint quand, [S]i = [S]o (1) avec i pour in ou interne et o pour out, c'est-à-dire externe. Pour l’eau ; L’équilibre de diffusion sera atteint quand, [H2O]i = [H2O]o osmolaritéi = osmolaritéo [P]i + [S]i = [S]o (2) Le modèle cellulaire sera à l’équilibre si les deux équations précédentes (1) et (2) sont vérifiées simultanément, c'est-à-dire si ; 20  [P]i + [S]i = [S]i [P]i = 0 or [P]i = nombre de moles P dans la cellule / volume cellulaire et [P]i → 0 si volume cellulaire → + ∞ Comment se fait l’augmentation du volume cellulaire ? L’équation (2) indique que l’osmolarité du milieu intracellulaire ([P] i + [S]i) est supérieure à celle du milieu extracellulaire ([S]o). La diffusion de l’eau se fait donc dans le sens de son gradient de concentration. L’eau entre dans la cellule. La membrane n’étant pas infiniment flexible, cette dernière se déchire et le volume cellulaire devient infini. On retourne donc au point de départ ; nécessité d’une membrane plasmique pour empêcher la diffusion des molécules organiques. 4.4 - Solutions au problème de l’équilibre osmotique Différentes stratégies ont été développées par différents types de cellules pour faire face à ce problème fatal. - Certaines cellules ont développé une membrane plasmique presque imperméable à l’eau. C’est le cas de certaines cellules épithéliales. - De nombreux protozoaires (êtres vivants unicellulaires) évitent le gonflement par l’eau, en dépit de la différence d’osmolarité qui existe de part et d’autre de leur membrane, en expulsant périodiquement de l’eau à l’aide de vacuoles contractiles. - Certaines cellules (cellules végétales et bactéries) ont développé une paroi rigide (cellulosique ou gélatineuse) autour de leur membrane plasmique pour prévenir physiquement le gonflement cellulaire. C’est vraisemblablement cette stratégie qui est apparue la première sur le plan chronologique. - La dernière stratégie est rencontrée au niveau de la plupart des cellules animales. Pour ces dernières, la membrane plasmique est perméable à l’eau, il n’y a pas de paroi autour de la membrane cellulaire, ni de vacuoles contractiles pour expulser l’eau au fur et à mesure qu’elle entre dans la cellule. Pour présenter comment les cellules animales se trouvent en équilibre osmotique, nous allons en fait considérer un modèle de cellule animale très simplifié dont la membrane plasmique est perméable à l’eau. Ce modèle cellulaire ne contient qu’un soluté, des molécules protéiques P, incapables de traverser la membrane (intérêt du modèle cellulaire). On considère [P]i = 0.25 M et un volume cellulaire initial de 1 nl. Ce modèle cellulaire va être placé dans différents bains extracellulaires et nous décrirons comment il va évoluer. Dans chaque cas, nous assumerons que le volume du bain extracellulaire est infini de sorte qu’on puisse considérer que les concentrations des solutés des différentes solutions dans lesquelles vont baigner le modèle cellulaire soient constantes. 21 ► Cas A : le modèle cellulaire est placé dans une solution extracellulaire de glucose à 0.25 M et le glucose ne traverse pas la membrane. V3initial = 1 nl V3final = 1 nl glucose glucose P 0.25 M P 0.25 M 0.25 M 0.25 M H2O H2O H2O H2O L’eau est le soluté qui peut traverser la membrane. L’eau sera à l’équilibre sur le plan de la diffusion quand ; [H2O]i = [H2O]o osmolaritéi = osmolaritéo [P]i = [glucose]o or [P]i = [glucose]o = 0.25 M dès l’instant initial expliquant que le volume cellulaire ne change pas. ► Cas B : le modèle cellulaire est placé dans une solution extracellulaire de glucose à 0.125 M et le glucose ne traverse pas la membrane. V3final = 2 nl glucose 0.125 M V3initial = 1 nl P P glucose 0.125 M 0.25 M 0.125 M H2O H2O H2O H2O 22 Dans ce second cas de figure, [P]i > [glucose]o osmolaritéi > osmolaritéo [H2O]i < [H2O]o l’eau entre dans la cellule. Jusqu’à quand l’eau entre t-elle dans la cellule ? L’eau arrête d’entrer dans la cellule quand, osmolaritéi = osmolaritéo [P]i = [glucose]o = 0.125 M L’équilibre de diffusion de l’eau est obtenu au dépend d’un accroissement du volume cellulaire ; V3final = 2 nl. Ces deux premiers cas de figure montrent que l’eau est à l’équilibre sur le plan de la diffusion si [soluté imperméant]i = [soluté imperméant]o. ► Cas C : le modèle cellulaire est placé dans une solution extracellulaire d’urée à 0.25 M et l’urée peut traverser la membrane. V3initial = 1 nl V3final = +∞ _ P urée 0.25 M 0.25 M P 0.25 M H2O urée H2O Sur le plan de la diffusion, le modèle cellulaire immergé dans le bain d’urée sera à l’équilibre quand l’urée et l’eau auront chacune atteint leur équilibre de diffusion, c'est-à-dire quand ; [urée]i = [urée]o pour l’urée et osmolaritéi = osmolaritéo [P]i + [urée]i = [urée]o pour l’eau. 23 Les deux équations précédentes sont vérifiées simultanément si ; [P]i + [urée]i = [urée]i [P]i = 0 et [P]i → 0 si volume cellulaire → + ∞ Ce troisième cas de figure montre qu’un soluté extracellulaire perméant ne peut pas aider la cellule à atteindre son équilibre osmotique. ► Cas D : le modèle cellulaire est placé dans un bain extracellulaire contenant un soluté imperméant, du glucose à 0.25 M, et un soluté perméant, de l’urée à 0.25 M. V3initial = 1 nl V3final = 1 nl glucose glucose P 0.25 M P 0.25 M 0.25 M 0.25 M + + urée urée urée H2O H2O 0.25 M 0.25 M 0.25 M H2O H2O Sur le plan de la diffusion, le modèle cellulaire immergé dans le bain de glucose et d’urée sera à l’équilibre quand l’urée et l’eau auront chacune atteint leur équilibre de diffusion, c'est-à-dire quand ; [urée]i = [urée]o pour l’urée et osmolaritéi = osmolaritéo [P]i + [urée]i = [glucose]o + [urée]o pour l’eau. Les deux équations précédentes étant vérifiées simultanément, la cellule est à l’équilibre sur le plan osmotique et son volume ne change pas. Ces deux derniers cas de figure montrent que si un soluté extracellulaire peut traverser la membrane, la présence d’un soluté imperméant à la même concentration à l’intérieur et à l’extérieur de la cellule permet à la cellule de maintenir son volume. ► C’est cette stratégie qui a été adoptée par la plupart des cellules animales pour préserver leur volume et c’est l’ion sodium qui joue le rôle de soluté extracellulaire imperméant. Il est donc possible de considérer, au moins en 24 première approximation, que la membrane plasmique des cellules animales n’est pas perméable aux ions Na+ ce qui leur permet de préserver leur volume. Nous verrons que la situation est en réalité plus complexe puisque les membranes des cellules animales sont en réalité perméables aux ions Na+ mais qu’il existe des mécanismes membranaires responsables du maintien des concentrations sodiques intra- et extracellulaire donnant l’illusion que la membrane plasmique des cellules animales n’est pas perméable aux ions Na+. Il est donc possible d’ajouter une colonne dans le tableau vous présentant les compositions simplifiées des milieux intra- et extracellulaire d’une cellule de mammifère typique concernant le statut perméant ou imperméant des différents solutés. Concentration Concentration Perméant intracellulaire extracellulaire (en mM) (en mM) K+ 125 5 oui Na+ 12 120 non Cl- 5 125 oui A- 108 0 non H2O 55 000 55 000 oui Et finalement, l’équilibre osmotique des cellules animales peut être représenté schématiquement de la façon suivante : Membrane plasmique A- 108 mM Na+ 120 mM + H2O Na 12 mM Sur le plan de la diffusion, H2O à l’équilibre si [soluté imperméant]i = [soluté imperméant]o Pour une cellule animale, l’équilibre osmotique H2O repose sur [A-]i + [Na+]i = [Na+]o 4.5 - Tonicité des solutions Pourquoi cette notion ? Considérons à nouveau les exemples précédents A et C. 25 ► Cas A : le modèle cellulaire est placé dans une solution extracellulaire de glucose à 0.25 M et le glucose ne traverse pas la membrane. ► Cas C : le modèle cellulaire est placé dans une solution extracellulaire d’urée à 0.25 M et l’urée peut traverser la membrane. Dans ces deux cas, les solutions extracellulaires (0.25 M de glucose ou 0.25 M d’urée) ont la même osmolarité de 0.25 Osm. Or ces deux solutions ont un effet très différent sur le volume cellulaire (pas de changement du volume cellulaire dans le cas A tandis que la cellule explose dans le cas C). Pour prendre en compte les effets différents sur le volume cellulaire de solutions de même osmolarité, on introduit la notion de tonicité des solutions. - une solution isotonique est une solution qui n’a pas d’effet sur le volume cellulaire (solution de NaCl à 9 g/l du paragraphe 3), - une solution hypotonique est une solution qui provoque le gonflement des cellules (solution de NaCl à 0 g/l du paragraphe 3), - une solution hypertonique est une solution qui provoque la diminution du volume des cellules (solution de NaCl à 100 g/l du paragraphe 3). 4.6 - Cinétique d’évolution du V3cellulaire dans le cas D Revenons désormais sur ce cas de figure dans lequel le modèle cellulaire est plongé dans le mélange glucose + urée (cas D) pour lequel le volume cellulaire à l’équilibre est effectivement le même qu’à l’instant initial. C’est vrai que si on observe au microscope le modèle cellulaire à l’instant initial (lorsqu’il est plongé dans le mélange glucose + urée) et seulement après qu’il soit resté un certain temps dans ce mélange, on ne verra pas de changement du volume cellulaire. Si par contre on observe le modèle cellulaire en continu depuis l’instant initial, on verra en réalité les changements du volume cellulaire représentés ci-dessous ; V3 cellulaire V3 final = V3 initial 1 nl - 0- Temps passé t0 t1 t2 dans la solution glucose + urée 26 Le V3 du modèle cellulaire diminue dès que ce dernier est plongé dans le mélange glucose + urée (à partir de t0) jusqu’à l’instant t1 ou la diminution du V3 cellulaire s’arrête, avant d’augmenter entre t1 et t2 pour se stabiliser à sa valeur initiale de 1 nl. Pourquoi ces variations du V3 cellulaire ? Pour les comprendre, il faut s’intéresser aux solutés qui peuvent traverser la membrane (l’eau et l’urée) et identifier comment ils vont se déplacer à travers la membrane et donc, comment sont orientés les gradients de concentration de ces solutés électro neutres. - A partir de t0 (entre t0 et t1) → Observation d’une diminution du V3 cellulaire Pour l’eau ; osmolaritéi < osmolaritéo (0.25 Osm) (0.50 Osm) [H2O]i > [H2O]o sortie d’eau de la cellule diminution du V3 cellulaire Pour l’urée ; [urée]i < [urée]o (0 M) (0.25 M) entrée d’urée dans la cellule Et diminution du V3 cellulaire car le volume cellulaire change en fonction des mouvements d’eau (quand de l’eau sort de la cellule, le V 3 cellulaire diminue). Souvenez-vous de la composition des milieux intra- et extracellulaire et des valeurs très fortes des concentrations en eau de ces milieux devant celles des autres solutés. - A l’instant t1 → Le V3 cellulaire se stabilise (la diminution du V3 cellulaire amorcée depuis t0 s’arrête) preuve qu’il n’y a plus de mouvement net d’eau à l’instant t 1. L’eau est donc à l’équilibre sur le plan de la diffusion à t 1 (puisque le mouvement net d’eau est nul à cet instant). A t1, [H2O]i = [H2O]o osmolaritéi = osmolaritéo [P]i + [urée]i = [urée]o + [glucose]0 Et [urée]o + [glucose]0 = 0.5 M puisque [glucose]0 = 0.25 M et [urée]o ≈ 0.25 M car le V3 du bain extracellulaire est très grand devant le V3 cellulaire expliquant qu’on peut considérer que la [urée]o reste constante malgré qu’un peu d’urée entre dans la cellule. Donc à t1, [P]i + [urée]i = 0.5 M Mais à t1, [P]i > 0.25 M puisque le V3 cellulaire a diminué (concentrant le soluté imperméant P dans la cellule) et donc [urée]i < 0.25 M 27 A l’instant t1, l’eau est à l’équilibre sur le plan de la diffusion mais pas l’urée (le gradient de concentration pour l’urée est toujours entrant à t 1). L’urée va donc continuer d’entrer dans la cellule expliquant qu’à partir de t1 l’osmolarité intracellulaire va devenir supérieure à l’osmolarité extracellulaire et que le gradient de concentration pour l’eau va s’inverser. - A partir de t1 (entre t1 et t2) → Observation d’une augmentation du V3 cellulaire Pour l’urée ; [urée]i < [urée]o urée continue d’entrer dans la cellule Pour l’eau ; osmolaritéi > osmolaritéo (la réduction du V3 cellulaire ayant concentré P dans la cellule couplée au fait que l’urée continue d’entrer dans la cellule explique que l’osmolarité intracellulaire dépasse désormais l’osmolarité extracellulaire) [H2O]i < [H2O]o entrée d’eau de la cellule augmentation du V3 cellulaire - Jusqu’à quand ces entrées d’urée et d’eau dans la cellule et pourquoi V3 final = V3 initial = 1 nl à l’instant t2 ? → Entrée d’urée dans la cellule jusqu’à équilibre de diffusion quand [urée]i = [urée]o = 0.25 M (instant t2) → Entrée d’eau dans la cellule jusqu’à équilibre de diffusion quand [H2O]i = [H2O]o c’est-à-dire quand osmolaritéi = osmolaritéo et donc quand [P]i + [urée]i = [urée]o + [glucose]0 = 0. 5 M Ainsi quand l’urée est à l’équilibre sur le plan de la diffusion et que [urée]i = [urée]o = 0.25 M, la valeur que doit prendre [P]i pour que l’eau soit également à l’équilibre sur le plan de la diffusion et que osmolaritéi = osmolaritéo = 0.5 Osm, est égale à 0.25 M ce qui correspond à un volume cellulaire de 1 nl (condition initiale). Il entre donc de l’eau dans la cellule jusqu’à l’instant t2 pour lequel à la fois l’eau et l’urée sont à l’équilibre sur le plan de la diffusion. Pourquoi ces précisions concernant la cinétique de ces changements de 3 V cellulaire dans le cas du bain extracellulaire de glucose + urée ? D’abord car cela permet d’illustrer que le fait de décrire simplement l’instant initial et l’instant final peut occulter des informations sur la cinétique des phénomènes et que les mouvements d’eau sont en réalité complexes et incessants. Ensuite car cela permet de rappeler que la diffusion pour un soluté électro neutre (comme l’eau et l’urée) se fait dans le sens du gradient de concentration jusqu’à un équilibre obtenu quand les concentrations de part et d’autre de la membrane sont identiques. 28 Résumé Pour survivre, les cellules animales doivent réguler les mouvements d’eau à travers leur membrane plasmique. Sachant que les protéines et autres molécules organiques ne sont pas autorisées à traverser la membrane, la diffusion de l’eau devient un problème. Nous avons vu que la plupart des cellules animales ont résolu ce problème en excluant un soluté extracellulaire compensatoire, les ions sodium. Nous détaillerons d’ailleurs bientôt comment les cellules animales procèdent pour exclure les ions sodium. Dans les exemples utilisés jusqu’ici, les substances soumises à la diffusion n’étaient pas chargées électriquement et il faut retenir que dans ces conditions, l’équilibre de diffusion est atteint pour toute substance capable de traverser la membrane, y compris l’eau, lorsque les concentrations intra- et extracellulaire sont identiques. Néanmoins si vous vous souvenez du tableau présentant les compositions des milieux intra- et extracellulaire, il apparaît clairement que la plupart des solutés sont chargés électriquement. Nous allons voir que le mouvement par diffusion de substances chargées à travers la membrane plasmique des cellules va dépendre ; - de forces de diffusion liées aux gradients de concentration, - de forces électriques liées au champ électrique transmembranaire. Le rôle joué par le champ électrique transmembranaire dans le mouvement des solutés chargés à travers la membrane plasmique des cellules animales est considéré dans le chapitre suivant. 29