3.5 : Transport passif
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Les membranes plasmiques doivent permettre à certaines substances d'entrer et de sortir d'une cellule, tout en empêchant la pénétration de matières nocives et la sortie de matières essentielles. En d'autres termes, les membranes plasmiques sont sélectivement perméables : elles laissent passer certaines substances, mais pas d'autres. S'ils perdaient cette sélectivité, la cellule ne serait plus en mesure de subvenir à ses besoins et elle serait détruite. Certaines cellules ont besoin de plus grandes quantités de substances spécifiques que d'autres cellules ; elles doivent disposer d'un moyen d'obtenir ces substances à partir des fluides extracellulaires. Cela peut se produire de manière passive, lorsque certains matériaux se déplacent d'avant en arrière, ou la cellule peut avoir des mécanismes spéciaux qui assurent le transport. La plupart des cellules dépensent la majeure partie de leur énergie, sous forme d'adénosine triphosphate (ATP), pour créer et maintenir une distribution inégale des ions sur les côtés opposés de leurs membranes. La structure de la membrane plasmique contribue à ces fonctions, mais elle pose également certains problèmes.
Les formes les plus directes de transport membranaire sont passives. Le transport passif est un phénomène naturel qui ne nécessite pas que la cellule dépense de l'énergie pour accomplir le mouvement. Lors du transport passif, les substances se déplacent d'une zone de concentration plus élevée vers une zone de concentration plus faible au cours d'un processus appelé diffusion. Un espace physique dans lequel il existe une concentration différente d'une seule substance est considéré comme présentant un gradient de concentration.
Perméabilité sélective
Les membranes plasmiques sont asymétriques, ce qui signifie que malgré l'image miroir formée par les phospholipides, l'intérieur de la membrane n'est pas identique à l'extérieur de la membrane. Les protéines intégrales qui agissent comme des canaux ou des pompes agissent dans une seule direction. Les glucides, attachés aux lipides ou aux protéines, se trouvent également sur la surface extérieure de la membrane plasmique. Ces complexes de glucides aident la cellule à lier les substances dont elle a besoin dans le liquide extracellulaire. Cela renforce considérablement le caractère sélectif des membranes plasmiques.
Rappelons que les membranes plasmiques présentent des régions hydrophiles et hydrophobes. Cette caractéristique facilite le mouvement de certains matériaux à travers la membrane et empêche le mouvement des autres. La matière liposoluble peut facilement passer à travers le noyau lipidique hydrophobe de la membrane. Des substances telles que les vitamines liposolubles A, D, E et K passent facilement à travers les membranes plasmiques du tube digestif et d'autres tissus. Les médicaments liposolubles pénètrent également facilement dans les cellules et sont facilement transportés dans les tissus et les organes du corps. Les molécules d'oxygène et de dioxyde de carbone ne sont pas chargées et passent par simple diffusion.
Les substances polaires, à l'exception de l'eau, présentent des problèmes pour la membrane. Bien que certaines molécules polaires se connectent facilement à l'extérieur d'une cellule, elles ne peuvent pas facilement traverser le noyau lipidique de la membrane plasmique. De plus, alors que de petits ions peuvent facilement se glisser à travers les espaces de la mosaïque de la membrane, leur charge les empêche de le faire. Les ions tels que le sodium, le potassium, le calcium et le chlorure doivent avoir un moyen spécial de pénétrer dans les membranes plasmiques. Les sucres simples et les acides aminés ont également besoin d'aide pour leur transport à travers les membranes plasmiques.
Diffusion
La diffusion est un processus de transport passif. Une seule substance a tendance à se déplacer d'une zone de forte concentration vers une zone de faible concentration jusqu'à ce que la concentration soit égale dans l'espace. Vous connaissez la diffusion de substances dans l'air. Pensez, par exemple, à quelqu'un qui ouvre un flacon de parfum dans une pièce remplie de monde. Le parfum est à sa concentration maximale dans le flacon et à son niveau le plus bas sur les bords de la pièce. La vapeur de parfum se diffusera ou se répandra loin du flacon, et peu à peu, de plus en plus de personnes sentiront le parfum au fur et à mesure qu'il se répand. Les matériaux se déplacent dans le cytosol de la cellule par diffusion, et certains matériaux traversent la membrane plasmique par diffusion (Figure\(\PageIndex{1}\)). La diffusion ne consomme aucune énergie. Les différentes concentrations de matériaux dans différentes zones constituent plutôt une forme d'énergie potentielle, et la diffusion est la dissipation de cette énergie potentielle lorsque les matériaux descendent leurs gradients de concentration, de haut en bas.
Chaque substance distincte présente dans un milieu, tel que le liquide extracellulaire, possède son propre gradient de concentration, indépendant des gradients de concentration des autres matériaux. De plus, chaque substance diffusera selon ce gradient.
Plusieurs facteurs influent sur le taux de diffusion.
- Ampleur du gradient de concentration : Plus la différence de concentration est grande, plus la diffusion est rapide. Plus la distribution de la matière se rapproche de l'équilibre, plus la vitesse de diffusion est lente.
- Masse des molécules diffusantes : Les molécules plus massives se déplacent plus lentement, car il leur est plus difficile de se déplacer entre les molécules de la substance qu'elles traversent ; elles diffusent donc plus lentement.
- Température : Les températures plus élevées augmentent l'énergie et donc le mouvement des molécules, augmentant ainsi le taux de diffusion.
- Densité du solvant : à mesure que la densité du solvant augmente, la vitesse de diffusion diminue. Les molécules ralentissent parce qu'elles ont plus de mal à traverser le milieu plus dense.
CONCEPT EN ACTION
Pour une animation du processus de diffusion en action, visionnez cette courte vidéo sur le transport des membranes cellulaires.
Transport facilité
Dans le cadre du transport facilité, également appelé diffusion facilitée, la matière se déplace à travers la membrane plasmique à l'aide de protéines transmembranaires selon un gradient de concentration (d'une concentration élevée à une concentration faible) sans dépenser d'énergie cellulaire. Cependant, les substances dont le transport est facilité ne se diffuseraient pas facilement ou rapidement à travers la membrane plasmique. La solution pour déplacer les substances polaires et d'autres substances à travers la membrane plasmique réside dans les protéines qui recouvrent sa surface. La matière transportée est d'abord fixée à des récepteurs de protéines ou de glycoprotéines situés sur la surface extérieure de la membrane plasmique. Cela permet de retirer du liquide extracellulaire le matériau nécessaire à la cellule. Les substances sont ensuite transmises à des protéines intégrales spécifiques qui facilitent leur passage, car elles forment des canaux ou des pores qui permettent à certaines substances de traverser la membrane. Les protéines intégrales impliquées dans le transport facilité sont collectivement appelées protéines de transport, et elles fonctionnent soit comme des canaux pour le matériau, soit comme des supports.
Osmose
L'osmose est la diffusion de l'eau à travers une membrane semi-perméable en fonction du gradient de concentration de l'eau à travers la membrane. Alors que la diffusion transporte la matière à travers les membranes et à l'intérieur des cellules, l'osmose transporte uniquement de l'eau à travers une membrane et la membrane limite la diffusion des solutés dans l'eau. L'osmose est un cas particulier de diffusion. L'eau, comme les autres substances, passe d'une zone de concentration plus élevée à une zone de concentration plus faible. Imaginez un bécher avec une membrane semi-perméable, séparant les deux côtés ou moitiés (Figure\(\PageIndex{2}\)). Sur les deux côtés de la membrane, le niveau d'eau est le même, mais il existe des concentrations différentes de chaque côté d'une substance dissoute, ou soluté, qui ne peut pas traverser la membrane. Si le volume de l'eau est le même, mais que les concentrations de soluté sont différentes, il existe également différentes concentrations d'eau, le solvant, de chaque côté de la membrane.
Un principe de diffusion est que les molécules se déplacent et se répartissent uniformément dans le milieu si possible. Cependant, seul le matériau capable de traverser la membrane diffusera à travers celle-ci. Dans cet exemple, le soluté ne peut pas diffuser à travers la membrane, mais l'eau le peut. L'eau présente un gradient de concentration dans ce système. Par conséquent, l'eau diffusera le long de son gradient de concentration, traversant la membrane jusqu'au côté où elle est moins concentrée. Cette diffusion de l'eau à travers la membrane, l'osmose, se poursuivra jusqu'à ce que le gradient de concentration de l'eau atteigne zéro. L'osmose se produit constamment dans les systèmes vivants.
Tonicité
La tonicité décrit la quantité de soluté dans une solution. La mesure de la tonicité d'une solution, ou de la quantité totale de solutés dissous dans une quantité spécifique de solution, s'appelle son osmolarité. Trois termes (hypotonique, isotonique et hypertonique) sont utilisés pour relier l'osmolarité d'une cellule à l'osmolarité du liquide extracellulaire qui contient les cellules. Dans une solution hypotonique, telle que l'eau du robinet, le liquide extracellulaire a une concentration de solutés inférieure à celle du liquide à l'intérieur de la cellule, et l'eau entre dans la cellule. (Dans les systèmes vivants, le point de référence est toujours le cytoplasme, donc le préfixe hypo - signifie que le liquide extracellulaire a une concentration de solutés ou une osmolarité plus faible que le cytoplasme cellulaire.) Cela signifie également que le liquide extracellulaire a une concentration d'eau plus élevée que la cellule. Dans cette situation, l'eau suivra son gradient de concentration et entrera dans la cellule. Cela peut provoquer l'éclatement ou la lyse d'une cellule animale.
Dans une solution hypertonique (le préfixe hyper - fait référence au liquide extracellulaire contenant une concentration de solutés plus élevée que le cytoplasme de la cellule), le liquide contient moins d'eau que la cellule, comme de l'eau de mer. Comme la cellule a une plus faible concentration de solutés, l'eau quittera la cellule. En effet, le soluté aspire l'eau hors de la cellule. Cela peut provoquer le rétrécissement ou la crémentation d'une cellule animale.
Dans une solution isotonique, le liquide extracellulaire possède la même osmolarité que la cellule. Si la concentration des solutés de la cellule correspond à celle du liquide extracellulaire, il n'y aura aucun mouvement net d'eau vers ou hors de la cellule. Les cellules sanguines présentes dans les solutions hypertoniques, isotoniques et hypotoniques prennent un aspect caractéristique (Figure\(\PageIndex{3}\)).
ART CONNECTION
Un médecin injecte à un patient ce qu'il pense être une solution saline isotonique. Le patient décède et l'autopsie révèle que de nombreux globules rouges ont été détruits. Pensez-vous que la solution injectée par le médecin était vraiment isotonique ?
Certains organismes, tels que les plantes, les champignons, les bactéries et certains protistes, ont des parois cellulaires qui entourent la membrane plasmique et empêchent la lyse cellulaire. La membrane plasmique ne peut s'étendre que jusqu'à la limite de la paroi cellulaire, de sorte que la cellule ne se lyse pas. En fait, le cytoplasme des plantes est toujours légèrement hypertonique par rapport à l'environnement cellulaire, et l'eau pénètre toujours dans une cellule si de l'eau est disponible. Cet afflux d'eau produit une pression de turgescence qui raidit les parois cellulaires de la plante (Figure\(\PageIndex{4}\)). Chez les plantes non ligneuses, la pression de turgescence soutient la plante. Si les cellules végétales deviennent hypertoniques, comme c'est le cas lors d'une sécheresse, ou si la plante n'est pas suffisamment arrosée, l'eau quittera la cellule. Les plantes perdent leur pression de turgescence dans ces conditions et se flétrissent.
Résumé de la section
Les formes passives de transport, de diffusion et d'osmose déplacent des matériaux de faible poids moléculaire. Les substances se diffusent des zones de forte concentration vers les zones de faible concentration, et ce processus se poursuit jusqu'à ce que la substance soit uniformément répartie dans un système. Dans les solutions de plusieurs substances, chaque type de molécule diffuse selon son propre gradient de concentration. De nombreux facteurs peuvent affecter le taux de diffusion, notamment le gradient de concentration, la taille des particules qui diffusent et la température du système.
Dans les systèmes vivants, la diffusion des substances à l'intérieur et à l'extérieur des cellules est médiée par la membrane plasmique. Certains matériaux diffusent facilement à travers la membrane, mais d'autres sont gênés et leur passage n'est rendu possible que par les canaux et les supports protéiques. La chimie des êtres vivants se produit dans des solutions aqueuses, et l'équilibre des concentrations de ces solutions est un problème permanent. Dans les systèmes vivants, la diffusion de certaines substances serait lente ou difficile en l'absence de protéines membranaires.
Connexions artistiques
Figure\(\PageIndex{3}\) : Un médecin injecte à un patient ce qu'il pense être une solution saline isotonique. Le patient décède et l'autopsie révèle que de nombreux globules rouges ont été détruits. Pensez-vous que la solution injectée par le médecin était vraiment isotonique ?
- Réponse
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Non, elle devait être hypotonique, car une solution hypotonique provoquerait la pénétration d'eau dans les cellules et les ferait éclater.
Lexique
- gradient de concentration
- une zone de forte concentration en face d'une zone de faible concentration
- dispersion
- un processus passif de transport de matériaux de faible poids moléculaire vers le bas de leur gradient de concentration
- transport facilité
- processus par lequel la matière descend selon un gradient de concentration (d'une concentration élevée à une concentration faible) à l'aide de protéines membranaires intégrées
- hypertonique
- décrit une solution dans laquelle l'osmolarité du liquide extracellulaire est supérieure à celle du liquide à l'intérieur de la cellule
- hypotonique
- décrit une solution dans laquelle l'osmolarité du liquide extracellulaire est inférieure à celle du liquide à l'intérieur de la cellule
- isotonique
- décrit une solution dans laquelle le liquide extracellulaire a la même osmolarité que le liquide à l'intérieur de la cellule
- osmolarité
- la quantité totale de substances dissoutes dans une quantité spécifique de solution
- osmose
- le transport de l'eau à travers une membrane semi-perméable d'une zone à forte concentration en eau à une zone à faible concentration en eau à travers une membrane
- transport passif
- une méthode de transport de matériaux qui ne nécessite pas d'énergie
- sélectivement perméable
- la caractéristique d'une membrane qui laisse passer certaines substances mais pas d'autres
- soluté
- une substance dissoute dans une autre pour former une solution
- tonicité
- la quantité de soluté dans une solution.