BIOLOGIE CELLULAIRE LES ECHANGES CELLULAIRES Abdoulaye TOURE ENSupDER

BIOLOGIE CELLULAIRE: LES ECHANGES CELLULAIRES Abdoulaye TOURE ENSup/DER SVT

ECHANGES CELLULAIRES 1. Principe et loi de l’osmose : 2. Echanges d’eau : 3. Echanges de substances et de gaz : 4. Mécanisme des échanges cellulaires :

1. Principe et loi de l’osmose : § Le phénomène de passage de l’eau à travers une membrane perméable est nommé osmose et l’appareil utilisé est appelé osmomètre. 1. 1 Principe de l’osmose : § Il consiste à disposer une membrane perméable entre deux milieux de concentration différente et d’étudier le comportement de la membrane vis-à-vis de l’eau.

1. Principe et loi de l’osmose : 1. 1 Principe de l’osmose : Expérience q On observe les mouvements suivants : § Endosmose : passage d’eau (solvant : milieu hypotonique) du cristallisoir vers l’osmomètre § Exosmose : passage d’eau de l’osmomètre vers le cristallisoir § Diffusion de Na. Cl (soluté : milieu hypertonique) à travers la membrane (dialyse). § La dénivellation h est due à la force d’attraction de la solution salée dite pression osmotique, § A la fin de l’expérience la concentration est la même de part et d’autre de la membrane : les milieux sont alors isotoniques. Osmomètre de Dutrochet.

1. Principe et loi de l’osmose : 1. 2 Loi de l’osmose : § Si deux solutions aqueuses de concentrations différentes sont séparées par une membrane semi-perméable: Øl’eau diffuse toujours du milieu de faible concentration dit milieu hypotonique vers celui de plus forte concentration dit milieu hypertonique, Øtend ainsi à rendre égales pressions osmotiques de part et d’autre de la membrane (isotonie).

1. Principe et loi de l’osmose : 1. 3 Calcul de la pression osmotique : 1. 3. 1 Formule: § On peut déterminer la pression osmotique lorsque les deux milieux sont isotoniques. § La pression osmotique dépend: Ø de la concentration de la solution, Ø de son ionisation éventuelle, Ø de la masse molaire de la substance en solution Ø ainsi que de la température. § Elle s’exprime par la relation suivante :

1. Principe et loi de l’osmose : •

1. Principe et loi de l’osmose : 1. 3 Calcul de la pression osmotique : 1. 3. 3 Cas des solutions ionisées : Na. Cl § Les molécules de ces solutions se dissocient ; il faut donc multiplier n par le coefficient d’ionisation : d’où 1+1 = 2 § Soit une solution de Na. Cl à 4 g/l dans les hématies, déterminez n: Ø Na. Cl Na+ + ClØ Coefficient d’ionisation = 2 Ø Masse moléculaire = 58, 50 Ø n = 2 x 4/58, 50 = 0, 137 osmole/l ou 137 milliosmoles/l

2. Echanges d’eau : 2. 1 Observation chez les cellules végétales : Activité : On procède à l’observation de trois fragments d’épiderme au microscope en utilisant les milieux de montage suivants : Ø milieu n° 1 : eau distillée, Ø milieu n° 2 : solution de saccharose à 20% Ø milieu n° 3 : solution de saccharose à 40%.

2. Echanges d’eau : 2. 1 Observation chez les cellules végétales : q. Analyse : § Milieu n° 1: Ø Augmentation du volume de la vacuole qui exerce des forces sur le cadre pectocellulaire. § Milieu n° 2: Ø Diminution du volume de la vacuole (rétraction) et début de décollement du cytoplasme § Milieu n° 3: Ø accélération des phénomènes observés au milieu n° 2, Ø décollement du cytoplasme sauf au niveau des plasmodesmes, Ø la cellule devient flasque.

2. Echanges d’eau : 2. 1 Observation chez les cellules végétales : q. Interprétation : § Milieu 1: Øla vacuole est bien gonflée, dû à l’absorption d’eau par les cellules, les parois se distendent, Ø Les cellules sont dites turgescentes; le milieu 1 est dit hypotonique. § Du milieu n° 2 au milieu n° 3: Øsortie accentuée d’eau, c’est le phénomène de plasmolyse § Dans le milieu n° 2: ØOn note un léger décollement du cytoplasme dans les angles: c’est la plasmolyse commençante, les liquides internes et externes ont même concentration Ø La cellule n’est donc ni turgescente ni plasmolysée; le milieu est dit isotonique. § Les cellules plasmolysées des milieux 2 et 3 redeviennent turgescentes si on remplace les milieux respectifs par de l‘eau distillée : c’est la deplasmolyse provoquée. § Plasmolyse et turgescence sont donc reversibles.

2. Echanges d’eau : 2. 2 Observation chez les cellules animales : Cas des hématies q. Activité : 3 tubes à essais avec les solutions suivantes : Ø Tube n° 1 : eau distillée. Ø Tube n° 2 : 9%0 (9 g/l) ou 0, 9% (0, 9 g/100 ml) Ø Tube n° 3 : 100%0 (100 g/l) ou (10 g/100 ml) § chacun des tubes reçoit quelques gouttes de sang défibriné. On agite le mélange et on observe: Ø Le contenu du tube 1 est rouge parfaitement transparent, Ø celui des tubes 2 et 3 est rouge mais opaque. § En laissant reposer les tubes (ou centrifuger): Ø un culot surmonté d’un liquide claire apparait dans T 2 et T 3, Ø le contenu du tube 1 reste uniformément colorer en rouge.

2. Echanges d’eau : 2. 2 Observation chez les cellules animales : Cas des hématies q. Résultats et interprétation : § Tube n° 1 : rouge et transparent et les GR invisibles: ils sont éclatés. Ø dans un milieu hypotonique, il y a entrée d’eau et une sortie d’hémoglobine suite a l’éclatement de la membrane: C’est l’hémolyse. § Tube n° 2 : Formation d’un culot globulaire surmonté d’un liquide clair : c’est le phénomène de sédimentation et les GR intacts. Ø dans un milieu isotonique, il n’y a pas mouvement. § Tube n° 3 : phénomène de sédimentation comme dans le tube 2 et GR crénelés. Ødans un milieu hypertonique, il y a sortie d’eau: C’est la plasmolyse. § Remarque : Les cellules animales n’ayant pas de membrane squelettique ne peuvent devenir turgescentes.

2. Echanges d’eau : 2. 3 Importance des échanges d’eau : 2. 3. 1 Chez la cellule végétale : § Dans les conditions naturelles, les cellules végétales sont légèrement turgescentes, c’est ce qui est à l’origine de la fermeté des tissus végétaux. § Avec une perte d’eau dans le milieu extérieur, les cellules sont plasmolysées et il se produit le phénomène de fanaison qui disparait avec un apport d’eau. 2. 3. 2 Chez la cellule animale : § Les phénomènes osmotiques sont moins importantes. § Les cellules baignent par le sang et des mécanismes régulateurs maintiennent constante une isotonie du cytoplasme. § Remarque : L’apport d’eau est indispensable aux réactions métaboliques des organisme. L’eau est un des facteurs de régulation de la constance du milieu intérieur. « Sans eau pas de vie » .

3. Echanges de substances et de gaz : 3. 1 Echanges de substances dissoutes : q. Expérience 1 : coloration vitale (rouge neutre) § Si on dépose un lambot d’épiderme d’oignon coloré dans une solution de rouge neutre à 1%, on s’aperçoit au bout de quelques temps qu’il est coloré, les vacuoles paraissent plus colorées que ce liquide extérieur. § Si ensuite, on place le lambot coloré dans de l’eau, on constate qu’il n’y a pas sortie de rouge neutre quel que soit le temps. § Interprétation : il y a accumulation du rouge neutre à la suite d’une perméabilité en sens unique ou perméabilité orientée.

3. Echanges de substances et de gaz : 3. 1 Echanges de substances dissoutes : q. Expérience 2: coloration vitale (acétate d’ammonium) § Des cellules d’épiderme de choux rouge sont placées dans une solution d’acétate d’ammonium à 4%. § Dans un 1 er temps, on observe une rétraction de la vacuole dont le contenu s’intensifie: c’est la plasmolyse. § Dans un 2 eme temps, la vacuole retrouve son volume initial et change de couleur, elle devient mauve et même bleu. § Sachant que l’addition d’acétate d’ammonium au contenu vacuolaire le fait virer au bleu, il y a donc une pénétration d’acétate d’ammonium. C’est la déplasmolyse spontanée. § La déplasmolyse spontanée est également rapide avec les substances suivantes : urée, nitrate de potassium, formamide H-CONH 2.

3. Echanges de substances et de gaz : 3. 1 Echanges de gaz : § Les gaz sont échangés dissous dans l’eau des membranes et du cytoplasme. § Une membrane végétale est imperméable quand elle se dessèche. § La respiration cutanée des animaux (vers, batraciens) s’arrête dans une atmosphère dépourvue de vapeur d’eau. § Le sens des échanges de gaz au travers de la membrane cellulaire dépend de la pression partielle du gaz considéré, dans la cellule d’une part, dans le milieu extérieur d’autre part § il y a pression du milieu ou le gaz se trouve à la plus forte pression vers le milieu où il est à faible pression. § Cela est net pour les échanges de gaz carbonique et d’oxygène des globules rouges avec le plasma sanguin, au niveau des poumons puis des divers tissus.

4. Mécanisme des échanges cellulaires § Comparaison de la composition chimique des hématies et du plasma § Etude de la perméabilité de la membrane plasmique des hématies Substances Eau Concentration de part et d’autre de Interprétation la membrane Equilibre dans les Membrane librement 2 compartiments perméable dans les sens Ion (Na+, K+) Différentes dans 2 Perméabilité compartiments différentielle de la membrane Hémoglobine Présente dans les Imperméabilité de la hématies, absente membrane du plasma

4. Mécanisme des échanges cellulaires 4. 1 Phénomènes physiques : 4. 1. 1 Echanges d’eau : § Les échanges d’eau se produisent suivant la loi de l’osmose. 4. 1. 2 Echanges des substances dissoutes : § La loi de la diffusion ne suffit pas pour expliquer les échanges des substances dissoutes. § Certaines algues marines accumulent dans leurs cellules de l’iode bien que la teneur de l’eau de mer en iode soit très faible. § Les hématies sont riches en ions potassium et pauvres en sodium, ce qui est l’inverse dans le plasma. § Les mécanismes intervenant dans la perméabilité des substances dissoutes sont très complexes, ainsi on distingue :

4. Mécanisme des échanges cellulaires 4. 1 Phénomènes physiques : q. Les échanges passifs: diffusion libre ou diffusion simple § Phénomène physique passif, conforme a un gradient décroissant et proportionnel à la différence de concentration. § Les molécules diffusent selon leur nature soit à travers la phase lipidique de la membrane cellulaire : lipide et substance liposoluble (lipoïdes), soit à travers la phase protéique (protéine intégrée) : eau et substances hydrosolubles. q. Les échanges passifs: diffusion facilitée: § Phénomène passif, conforme à un gradient décroissant mais non purement physique (perméase). § La diffusion facilitée est rendue possible par l’intervention de protéines membranaires, les perméases, permettant le passage accéléré des substances suivant un gradient de concentration.

4. Mécanisme des échanges cellulaires 4. 2 Phénomènes biologiques : q. Transport actif § Ces échanges se font contre un gradient (donc ni physique ni passif). § Des perméases couplées avec des ATPases utilisant l’énergie de l’ATP permettant le passage de substances contre un gradient. § Ces perméases sont de vraies pompes membranaires. La plus connue est la pompe Na+/K+ responsable d’un flux entrant de K+ directement lié a un flux sortant de Na+ établissant une distribution bien particulière de ces ions de part et d’ autres de la membrane. § NB: Un gradient est une variation progressive et continue, d’un facteur physique (température) ou chimique (ions), d’une valeur maximale vers une valeur minimale (gradient décroissant) ou inversement (gradient croissant). Les substances non ionisées suivent un gradient de concentration, les ions un gradient électrochimique, les gaz dissous un gradient de pressions partielles.

4. Mécanisme des échanges cellulaires

4. Mécanisme des échanges cellulaires 4. 2 Phénomènes biologiques : q Endocytose et exocytose : § Types d’échanges plus globaux (transport en masse) § Par déformation de la membrane, la cellule peut englober des particules solides (phagocytose) ou ingérer des gouttelettes liquides (pinocytose). § Phagocytose et pinocytose sont les deux aspects de l’endocytose, l’opération inverse est l’exocytose.

4. Mécanisme des échanges cellulaires 4. 3 Conclusion : § Au cours des échanges de substances dissoutes, on peut distinguer trois types de perméabilités : ØLa perméabilité orientée ØLa perméabilité différentielle due à une différence de dimension entre les molécules ØLa perméabilité sélective : Elle se traduit par un choix entre les substances ; par exemple les nitrates sont plus absorbés que les sulfates par les poils absorbant dans la solution du sel. § Il arrive même que la pénétration des substances dissoutes se fasse à l’encontre des forces physiques, ce qui montre que la membrane joue un rôle actif comportant alors une dépense d’énergie, donc une consommation d’ATP.