2 LES ÉCHANGES CELLULAIRES

Marius Kiam; Nadège Mbozo'o; Ponce Fouejeu

Objectifs

  • Distinguer, nommer et définir les différents états des cellules placées dans des solutions de concentrations différentes ;
  • Expliquer le rôle de la membrane cytoplasmique dans les échanges cellulaires.

 INTRODUCTION

La cellule vivante entretient des échanges avec son milieu de vie. Elle échange des molécules individuellement ou en masse. Les expériences simples et des faits d’observation permettent de démontrer l’existence de tels échanges et le mécanisme de leur réalisation.

1- Comportement des cellules dans des solutions de concentrations différentes

 Travaux Pratiques : les échanges cellulaires (voir recueil de TP)

1.1- Observation

Les hématies ou globules rouges baignent dans le plasma sanguin. L’analyse de la composition chimique des hématies et du plasma permet d’établir le tableau suivant :

Substance (en g/l) Hématie Plasma

Eau

Hémoglobine (protéine des hématies)

Na+

K+

950

400

40

180

950

0

220

40

Comparer les résultats obtenus et tirer des conclusions quant à la perméabilité de la membrane cytoplasmique de l’hématie.

La comparaison des résultats fait ressortir les points suivants :

  • – L’eau présente la même concentration à l’intérieur qu’à l’extérieur de l’hématie ; ceci s’explique par le fait que la membrane est librement perméable dans les deux sens vis-à-vis de l’eau ;
  • – Les ions (Na+ et K+) ont des concentrations différentes dans les deux compartiments ; ceci s’explique par la perméabilité différentielle de la membrane aux ions ;
  • – L’hémoglobine présente dans l’hématie est absente du plasma ; ceci montre que la membrane est imperméable vis-à-vis de cette protéine.

Cette comparaison permet d’émettre l’hypothèse que la membrane des hématies est perméable. Cette perméabilité varie selon les substances considérées. On qualifie une telle perméabilité de sélective.

 1.2-Expérience 1

Dans un cristallisoir contenant de l’eau distillée, on plonge l’extrémité élargie d’un entonnoir fermée par une membrane de cellophane (pellicule transparente fabriquée à partir d’un hydrate de cellulose). L’entonnoir contient une solution de sulfate de cuivre (bleue).

exp1

Résultat : on observe une montée du niveau de la solution de CuSO4 de a à b ; puis son retour et sa stabilisation à c.

Le niveau de l’eau pure dans le cristallisoir varie de h à h’ ; puis revient à h dans le même temps. Sa coloration devient bleue.

Interprétation : les variations de niveau des liquides s’expliquent par les mouvements des molécules d’eau pure et des molécules de CuSO4 : l’eau va du cristallisoir vers l’entonnoir d’où le passage des niveaux a et b dans l’entonnoir et h à h’ dans le cristallisoir; les molécules de CuSO4 vont de l’entonnoir vers le cristallisoir et les niveaux passent de b à c dans l’entonnoir et de h’ à h’’ dans le cristallisoir.

Conclusion : Les molécules d’eau et de CuSO4 sont capables de passer à travers la membrane de cellophane. Cette membrane est dite perméable.

L’eau se déplace toujours en premier vers la solution de CuSO4 ; le CuSO4 semble attirer l’eau. On dit que l’eau passe du milieu le moins concentré vers le milieu le plus concentré en soluté.

1.3- Expérience de Pfeiffer

On adapte un tube en verre à un flacon en porcelaine poreuse dont les pores sont bouchés par un précipité de ferrocyanure de cuivre. Un tel dispositif est appelé osmomètre de Pfeiffer.

L’osmomètre est rempli d’eau sucrée et plongé dans un cristallisoir rempli d’eau distillée.

Expe2

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.

Interprétation et conclusion. Les molécules de sucre semblent attirer les molécules d’eau contenues dans le cristallisoir. Elles exercent donc une force qui lui permet de traverser la paroi en porcelaine poreuse. Une telle force est appelée force osmotique ou pression osmotique. Elle est proportionnelle à dénivellation observée dans le tube.

La pression osmotique est fonction de la concentration en masse du corps dissout, de son ionisation, de sa masse molaire et de la température.

Capture d’écran 2016-06-05 à 19.09.07R = 0,082 = constante des gaz parfait

T= température absolue en °K

C/M= concentration en moles/litre

P = pression en atmosphères

NB : la paroi en porcelaine poreuse ne laisse traverser que l’eau : elle est dite hémi- ou sémiperméable.

1.4. Caractères de la perméabilité membranaire

a- Cas des cellules animales.

Les globules rouges ou hématies baignent dans le plasma sanguin dont la concentration est équivalente à celle d’une solution de NaCl à 0,9 %, pH = 7,4.

12 ml d’une suspension de globules rouges placés dans une solution de NaCl à 0,9 % (9 g/l), pH = 7,4 sont répartis à part égale dans trois tubes. On ajoute à chacun d’eux :

  • – Tube 1 : 6 ml d’eau distillée à pH = 7,4 ;
  • – Tube 2 : 6 ml d’une solution de NaCl à 0,9 %, pH = 7,4.
  • – Tube 3 : 6 ml d’une solution de NaCl à 1,5 %, pH = 7,4.

L’observation du contenu des tubes 5 minutes après permet d’obtenir les résultats suivants :

  Tube 1 Tube 2 Tube 3
Aspect des tubes à l’œil nu Solution limpide rosée Aspect trouble : suspension de globules Solution limpide incolore avec culot de globules
Observation au MO Cellules volumineuses et cellules éclatées Cellules de taille normale Cellules de petite taille d’aspect crénelé

Justifier l’utilisation au début d’une solution de NaCl dosée à 0,9 % et le pH = 7,4

Interpréter les résultats obtenus dans chaque tube.

Tube 1 : l’augmentation de volume des hématies s’explique par le fait que les cellules ont absorbé de l’eau. Elles sont dites en turgescence.

A une certaine de concentration de NaCl, la distension est telle que les hématies éclatent et libèrent leur contenu dans le milieu extracellulaire d’où la couleur rosée que prend le tube : on dit qu’il y a hémolyse.

Tube 2 : les hématies gardent leur taille normale car elles sont placées dans un milieu ayant la même concentration que le plasma sanguin.

Tube 3 : les hématies diminuent de volume car elles perdent de l’eau. Elles prennent alors un aspect crénelé : ont dit qu’elles sont plasmolysées.

Remarque : si on replace les hématies du tube 3 dans les conditions du tube 2, elles retrouvent leur aspect normal par suite d’une réabsorption d’eau : on parle de la déplasmolyse. La plasmolyse est donc réversible.
Sans titre
Conclusion : l’aspect des hématies dépend du milieu dans lequel elles se trouvent. Les variations de volume sont essentiellement dues à des flux d’eau à travers la membrane des hématies.

 b- Cas des cellules végétales

Des fragments d’épiderme d’oignon sont traités au rouge neutre. Les cellules de ce fragment présentent le même aspect que si elles se trouvaient dans l’eau ordinaire ou l’eau salée dont la concentration ne dépasse pas 9 g/l : la vacuole est volumineuse et la membrane plasmique est étroitement accolée à la paroi (turgescence).

i- Montons ces cellules dans une solution de NaCl à 40 g/l. Elles apparaissent avec une vacuole plus petite ; la membrane cytoplasmique se sépare de la paroi pectocellulosique à laquelle elle reste rattachée par quelques points appelés tractus cytoplasmiques.

Interprétation : La diminution du volume de la vacuole s’explique par la perte d’eau. La perte d’eau par la cellule est la plasmolyse.

La paroi pectocellulosique, la membrane cytoplasmique et la membrane de la vacuole sont perméables. L’eau va de la solution vacuolaire hypotonique vers la solution de NaCl à 40 g/l hypertonique.

ii- montons les cellules plasmolysées dans de l’eau distillée. Elles reprennent leur aspect primitif : on parle de la déplasmolyse.

Cette déplasmolyse est due à la réabsorption d’eau par la cellule : la vacuole gonfle et repousse la membrane plasmique contre la paroi qui s’étire au maximum ; une telle cellule est dite turgescente

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Annoter et reconnaître les états A et B. Expliquer les modifications subies par la cellule végétale dans les deux cas.

 

c- Notion d’osmose.

L’osmose est la diffusion d’eau à travers la membrane plasmique. C’est la conséquence d’une différence de pression osmotique entre deux compartiments séparés par une membrane perméable ou semi-perméable :

  • – Deux milieux de même pression osmotique (cytosol et solution de NaCl à 0,9 %) sont dits isotoniques: le flux entrant dans l’hématie est égal aux flux d’eau sortant.
  • – La solution de NaCl à 0,5 % est dite hypotonique car sa pression osmotique est inférieure à celle de l’hématie : le flux d’eau entrant est supérieur au flux d’eau sortant et les hématies gonflent.
  • – La solution de NaCl à 1,5 % est dite hypertonique car sa pression osmotique est supérieure à celle de l’hématie : le flux d’eau entrant est inférieur au flux sortant et les hématies perdent de volume.
La loi de l’osmose stipule ainsi que l’eau va toujours du milieu hypotonique vers le milieu hypertonique. Le milieu hypertonique étant celui qui a la plus forte molarité c’est-à-dire la plus forte concentration molaire en soluté. Le milieu hypotonique est celui qui a la plus faible molarité.
Sans titre2

Principe de la diffusion libre

1.5-Notion de diffusion libre, de transport actif, de diffusion facilitée et de diffusion orientée

Lorsqu’une substance traverse la membrane plasmique suivant un gradient décroissant, on peut considérer en première approximation, que sa diffusion à travers la membrane est une diffusion libre.

C’est essentiellement le cas de l’eau, des gaz dissous et parfois de certaines substances dissoutes.

Lorsqu’une substance traverse la membrane contre un gradient décroissant, il s’agit d’un transport actif qui nécessite une dépense d’énergie par la cellule. C’est le cas de la plus part des substances dissoutes.

Cependant, les deux modèles ne suffisent pas.

a- L’étude de la perméabilité membranaire de l’hématie au glucose permet de construire le graphe suivant :

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Interpréter les résultats obtenus

Si la diffusion du glucose était libre, le flux théorique devrait être proportionnel à la concentration de glucose extracellulaire.

Le flux réel montre que la diffusion est plus efficace et accélérée. De plus elle est saturée à une certaine concentration de glucose extracellulaire : on dit que la diffusion du glucose est facilitée.

 b- L’étude de la plasmolyse des cellules d’épiderme d’oignon préalablement placées dans une solution de rouge neutre à 1 g/l, pH = 7,4 montre que les vacuoles sont de plus en plus colorées : l’eau sort mais le rouge neutre reste.

Ainsi le rouge neutre ne traverse la membrane que dans un seul sens : sa diffusion est dite orientée.

Les phénomènes de diffusion facilitée et de diffusion orientée s’expliquent par l’existence au niveau de la membrane des molécules particulières (protéines) ayant une activité qui dépend du type de molécule à transporter.

2- La phagocytose et la pinocytose

La perméabilité membranaire présentée précédemment correspond à un transport individuel (molécule après molécule) ; la cellule présente aussi des échanges en masse de substances solides ou liquides de l’intérieur vers l’extérieur (exocytose) ou de l’extérieur vers l’intérieur (endocytose).

La phagocytose est l’ingestion et la digestion des particules solides par la cellule.

La pinocytose est l’ingestion et la digestion des particules de petite dimension ou matériel liquide par la cellule.

Les deux mécanismes font intervenir la fluidité et la déformation membranaire (invagination), travail qui nécessite une dépense d’énergie. En effet la présence d’un poison métabolique tel que le dinitrophénol (DNP) bloque les deux processus.

5

CONCLUSION

La membrane plasmique est une structure appropriée aux échanges. Son analyse chimique montre qu’elle est essentiellement formée de protéines et de lipides (75 lipides pour 1 protéine).

L’observation au ME montre l’architecture de la membrane plasmique : c’est une double couche de lipides dans laquelle sont imbriquées des protéines globuleuses et volumineuses. Ces molécules bougent les unes par rapport aux autres, conférant à la membrane sa fluidité et son aptitude aux déformations, base des échanges en masse.

Les molécules liposolubles passent à travers les lipides ; les substances hydrosolubles de faible poids moléculaire passent par les protéines de transport. Certaines substances protéiques ou polypeptides de grande taille se fixent sur une protéine membranaire à l’extérieur et engendrent un signal que la cellule perçoit.

Par sa composition et sa structure, la membrane est ainsi adaptée aux échanges individuels et en masse entre la cellule et les cellules voisines ou l’environnement.

Expliquer pourquoi le pH et la température sont des facteurs importants à prendre en considération dans les échanges cellulaires.

 Sans titre6Architecture de la membrane plasmique

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