Échanges cellulaires

Entre le cytoplasme et le milieu extracellulaire, il existe de nombreux échanges : eau, substances dissoutes et particules massives.

I. Les échanges d’eau

Lorsque le cytoplasme et le milieu extracellulaire sont de même concentration (isotonie), il n’y a pas d’échange d’eau, mais des échanges d’eau s’établissent lorsqu’une différence de concentration s’établit entre ces deux milieux. Ces échanges d’eau correspondent au phénomène d’osmose.

L’osmose est une diffusion passive d’eau, à travers une membrane perméable, du milieu hypotonique (le moins concentré) vers le milieu hypertonique (le plus concentré).

1. Mise en évidence du phénomène d’osmose avec l’osmomètre de Pfeiffer

Un osmomètre de Pfeiffer dont la base est fermée par une membrane hémiperméable, est rempli d’eau sucrée et plongé dans un cristallisoir rempli d’eau distillée.

Résultat : le niveau de la solution sucrée monte de a à b et s’y stabilise. Le niveau de l’eau pure dans le cristallisoir baisse de h à h’ et y reste.

Explication : l’eau diffuse, à travers la membrane hémiperméable, du cristallisoir hypotonique vers l’osmomètre hypertonique : c’est un phénomène d’osmose.

2. Conséquences de l’osmose sur l’état des cellules

Une entrée d’eau dans la cellule entraîne une turgescence cellulaire caractérisée par un gonflement des vacuoles et une augmentation de la taille de la cellule. Chez la cellule animale, une forte turgescence peut conduire à l’éclatement de la cellule (hémolyse), ce qui n’est pas le cas chez la cellule végétale, du fait de la présence de paroi. 

Une sortie d’eau de la cellule entraîne une plasmolyse cellulaire caractérisée par un rétrécissement des vacuoles et de la cellule. Chez la cellule végétale, on observe aussi un détachement de la membrane plasmique vis-à-vis de la paroi, sauf au niveau des plasmodesmes.

La plasmolyse et la turgescence sont deux états anormaux mais réversibles. Ainsi, une cellule plasmolysée peut, en absorbant de l’eau, reprendre son aspect initial : on parle de déplasmolyse.

II. Les échanges de substances dissoutes (solutés)

Les petites molécules peuvent passer à travers la membrane suivant des mécanismes divers, dont une diffusion passive (par dialyse) et une diffusion active.

La dialyse est une diffusion passive de soluté, à travers une membrane perméable, du milieu hypertonique (le plus concentré) vers le milieu hypotonique (le moins concentré).

Le phénomène de dialyse peut être étudié expérimentalement avec un osmomètre comme celui de Dutrochet, qui utilise une membrane perméable.

Remarque : La diffusion présente deux variances ; la diffusion passive libre et la diffusion facilitée. La vitesse initiale de diffusion des ions Na⁺ et Cl^- à travers la membrane artificielle est d’autant plus importante que la différence de concentration est forte. Une pareille diffusion dont la vitesse est proportionnelle à la différence de concentration est appelée diffusion passive libre. Par contre, lorsque des protéines membranaires interviennent et accélèrent la vitesse de diffusion des substances dissoutes ; on parle de diffusion facilitée.

Le transport actif est une diffusion d’un soluté, à travers une membrane perméable, contre son gradient de concentration et qui nécessite une consommation d’énergie.

Caractéristiques de la perméabilité membranaire

Perméabilité sélective : quand la membrane laisse entre un soluté (comme une petite molécule) et s’oppose à la pénétration d’autre soluté (comme une grosse molécule).

Perméabilité différentielle : quand les vitesses de passage des différentes substances sont différentes.

Perméabilité orientée : quand la diffusion de soluté se fait dans un seul sens.

Les mécanismes de passage (d’eau et de solutés) se font selon des mécanismes divers, à travers la membrane plasmique, grâce essentiellement à des protéines transmembranaires dont les canaux ioniques et pompes ATPasique.

III. Les échanges de particules massives

Les particules massives ne peuvent passer qu’après déformation de la membrane plasmique. Leu passage se fait par les mouvements de « cytose » : endocytose et exocytose.

L’endocytose est un mouvement de déformation de la membrane plasmique en vue d’une pénétration de particule. Si la particule est solide, on parle de phagocytose mais s’il s’agit de particule liquide, on parle de pinocytose. L'endocytose à récepteurs est une forme d'endocytose où les récepteurs de la surface cellulaire sont utilisés pour capturer une molécule cible spécifique.

L’exocytose est une déformation de la membrane plasmique en vue d’une expulsion de particules (substances déchets ou molécules synthétisées).

IV. Notion de pression osmotique

La pression osmotique peut être définie comme la pression hydrostatique nécessaire pour retenir le flux net d’eau. Pour calculer la pression osmotique, on utilise la formule suivante :

$P=i \times R \times T \times C / M$

• P = pression osmotique (en atmosphère)
• i = coefficient de dissociation
• R = 0,082 = constante des gaz parfaits
• C/M = concentration en mole par litre