OPO :
• Expliquer le rôle de la membrane cellulaire dans les mécanismes d’échange des ions
• Expliquer les mécanismes de transport passif et actif à travers la membrane cellulaire.
• Faire la distinction entre diffusion libre et transport actif.
• Comprendre l'importance de ces mécanismes pour le maintien de l'homéostasie cellulaire.

Situation Problème
Paul jeune élevé de terminale D travaille sur le fonctionnement des cellules animales. Il a observé que les cellules ont des concentrations très différentes d'ions sodium (\(N{a^ + }\)) et potassium (\({K^ + }\)) à l'intérieur et à l'extérieur de la membrane cellulaire. À l'intérieur de la cellule, il y a beaucoup plus de potassium (\({K^ + }\)) que de sodium (\(N{a^ + }\)), tandis qu'à l'extérieur, la concentration de sodium est plus élevée que celle du potassium.
Malgré cette différence de concentration, ces ions continuent à être transportés dans des directions opposées.Il ne comprend par comment la cellule parvient-elle à maintenir des concentrations différentes d'ions de part et d'autre de sa membrane, alors que cela va à l’encontre des gradients de concentration.
Aide Paul à trouver une solution à ce questionnement.

Introduction

Les échanges de substances dissoutes à travers la membrane cellulaire sont essentiels pour la survie des cellules. Ils permettent l'entrée des nutriments, la sortie des déchets et l'équilibre de différents ions et molécules au sein de la cellule. Ces échanges se font principalement par deux types de mécanismes : le transport passif et le transport actif.

I. Le transport passif ou diffusion

Un gradient de concentration est une zone de l'espace au sein de laquelle la concentration d'une substance varie, c’est-à-dire que la concentration d’une substance n’est pas la même dans toutes les portions de cet espace.

I.1 Expériences de diffusion passive

On utilise un osmomètre connue indiqué sur les trois schémas suivants.
Au début de l’expérience, le milieu S₁ contient de l’eau distillée, le milieu S₂, une solution de saccharose. Les deux milieux sont séparés par une membrane perméable aussi bien à l’eau et au saccharose.
Après un temps donné t₁, le volume du liquide S₂ monte dans le tube fin d’une hauteur h
Après une autre période t₂, le niveau du liquide S₂ redescend d’une hauteur h’.

I.2 Observations et interprétations

Après le temps t₁, les molécules d'eau ont traversé la membrane du compartiment S₁ vers le compartiment S₂, et ceci sous l'effet de la pression osmotique. Ce qui se traduit par la montée du niveau du liquide dans le tube d’une hauteur h
Après le temps t₂, le niveau d’eau descend dans le tube d’une hauteur h’. Ceci est due au fait que les molécules de saccharose ont traversé la membrane du compartiment S₂ vers le compartiment S₁. C’est la diffusion. Elle qui sera suivie du passage de l’eau, du compartiment S₂ vers le compartiment S₁ par l’effet de l’osmose
Les mouvements d’eau et de saccharose à travers la membrane se poursuivent jusqu’à équilibre des concentrations de part et d’autre de la membrane.
Le passage des petites molécules telles que le saccharose à travers une membrane perméable est appelé diffusion transmembranaire.
Cette diffusion se fait du milieu le plus concentré (hypertonique) vers le milieu le moins concentré (hypotonique) : on dit que cette diffusion se fait suivant un gradient de concentration décroissant.
L’eau effectue le mouvement contraire et va du milieu hypotonique vers le milieu hypertonique (osmose).
La diffusion transmembranaire ne nécessite aucune consommation d’énergie. C’est pour cette raison qu’on la qualifie de diffusion passive.
Il existe plusieurs variantes de diffusion passive :

• La diffusion libre (diffusion simple) :

Ici les molécules diffusent à travers les pores de la membrane perméable. Les molécules liposolubles diffusent à travers la bicouche lipidique tandis que les molécules hydrosolubles de faible poids moléculaire passent par les protéines intégrées à la bicouche membranaire.
C’est un phénomène passif et purement physique.

• La diffusion facilitée (transport facilité) :

Ici le passage des molécules, d’ions ou groupe d’ions nécessite des transporteurs spécifiques appelés perméases encrés dans la membrane perméable. Elle se déroule en 3 étapes :
♦  La molécule à transporter s’unit à une protéine située sur la face externe de la membrane. Il y a formation d’un complexe molécule-perméase ;
♦  Il y a translocation du complexe ;
♦  En fin, la dissociation du complexe qui libère la molécule dans la cellule.
C’est un phénomène est passif mais pas purement physique, car fait intervenir des enzymes, mais ne nécessite pas la consommation d’énergie biochimique (ATP).

II. La diffusion active (transport actif)

Le transport actif agit à contre-courant du gradient de concentration, déplaçant les substances depuis les zones de faible concentration vers les zones à haute concentration.

II.1 Observations

Le tableau suivant donne les concentrations des ions \(N{a^ + }\) et \({K^ + }\) dans le plasma et à l’intérieur des hématies.

Si l'on s'en tient à la diffusion passive, phénomène qui suit un gradient de concentration décroissant, le \(N{a^ + }\) (en concentration élevée dans le plasma) doit pénétrer dans l’hématie alors que le \({K^ + }\) (en concentration élevée dans l’hématie) doit en sortir. Cela n’est pas le cas : on note plutôt une accumulation de \(N{a^ + }\) dans le plasma et une accumulation de \({K^ + }\) dans les hématies.

II.2 Interprétation

Certaines molécules peuvent transgresser les lois de la diffusion passive en allant du milieu où elles sont en faible concentration vers le milieu où elles sont en concentration élevée : on dit qu’elle diffuse contre un gradient de concentration décroissante ou bien qu'elles diffusent suivant un gradient de concentration croissante.
Ce type de diffusion nécessite non seulement des protéines de transport (perméases), mais aussi un apport d'énergie biochimique sous forme d'ATP: On parle alors de diffusion active, transport actif ou perméabilité active.
La protéine membranaire de l'hématie assurant le transport du \(N{a^ + }\) et du \({K^ + }\) dans ce cas est appelée la pompe à sodium ou \(\left( {N{a^ + }/{K^ + }ATPase} \right)\). Elle pompe \({3N{a^ + }}\) dans la cellule contre \({2{K^ + }}\) à l’extérieur.

III. Les cytoses : échanges des particules non dissoutes

Certaines substances ont des caractéristiques qui ne permettent pas leur transport à travers la membrane plasmique.
Ces substances doivent pénétrer ou sortir de la cellule par un phénomène de cytose.
On distingue :
♦  L’endocytose
La membrane plasmique s’invagine et forme une vésicule d’endocytose dans laquelle les particules sont piégées et absorbées. Ces particules venant du milieu extracellulaire n'entrent pas en contact avec le cytoplasme, mais restent enfermées dans une membrane constituant un phagosome.
• Si le corps ingéré est solide, on parle de phagocytose : on dit aussi que « la cellule mange ›› ;
• Si l'élément ingéré est liquide, on parle de pinocytose : on dit que « la cellule boit ››

♦  L'exocytose
C'est un phénomène grossièrement inverse à l’endocytose. Les substances enfermées à l’intérieur des vésicules sont déversées hors de la cellule après fusion à la membrane plasmique

Conclusion

Les échanges de substances dissoutes à travers la membrane cellulaire, que ce soit par transport passif ou actif, sont des processus essentiels au bon fonctionnement des cellules et au maintien de l'homéostasie. Ils permettent à la cellule de réguler les concentrations ioniques et de maintenir un équilibre nécessaire à la vie cellulaire. Les mécanismes de transport actif, tels que la pompe à sodium-potassium, sont particulièrement importants pour la gestion des gradients ioniques, en utilisant de l'énergie sous forme d'ATP.
Cette utilisation de l’ATP nous introduit directement à un aspect fondamental du métabolisme énergétique chez l’homme : la production et l’utilisation de l’énergie pour accomplir diverses fonctions vitales. Le métabolisme énergétique repose principalement sur la dégradation des nutriments (glucides, lipides, protéines) afin de libérer l'énergie nécessaire pour les activités cellulaires. Ce processus implique plusieurs voies biochimiques, comme la glycolyse, le cycle de Krebs et la phosphorylation oxydative, qui permettent de transformer l'énergie chimique des aliments en ATP, la principale source d'énergie de la cellule.