Échanges membranaires : diffusion, osmose, transport actif

La membrane plasmique est une bicouche de phospholipides : deux couches de molécules dont les têtes polaires regardent l'eau, de part et d'autre, et dont les queues hydrocarbonées forment au milieu une zone apolaire d'environ cinq nanomètres. Cette zone est une barrière pour tout ce qui est chargé ou fortement polaire, et un simple passage pour ce qui est petit et apolaire. La membrane est dite sélectivement perméable : elle laisse passer certaines substances, pas d'autres, et à des vitesses très différentes.

Diffusion simple. Une substance qui traverse la bicouche seule, sans protéine, va spontanément du compartiment où elle est la plus concentrée vers celui où elle l'est le moins — dans le sens de son gradient de concentration — jusqu'à égaliser les concentrations. C'est le cas du dioxygène, du dioxyde de carbone, de l'éthanol, des hormones stéroïdes : petits ou apolaires. La diffusion ne coûte aucune énergie à la cellule : c'est l'agitation thermique qui fait le travail, et le mouvement net s'arrête à l'équilibre.

Diffusion facilitée. Les ions, le glucose, les acides aminés ne traversent pas la bicouche à une vitesse utile. Ils passent par des protéines de transport : des canaux (un pore, parfois commandé par un signal — les canaux ioniques, les aquaporines pour l'eau) ou des transporteurs (une protéine qui fixe la molécule et change de conformation pour la faire passer — les transporteurs de glucose de la famille GLUT). Le sens reste celui du gradient, et le coût énergétique reste nul : la protéine accélère le passage, elle ne le force pas. Diffusion simple et diffusion facilitée sont les deux formes du transport passif.

L'osmose : la diffusion de l'eau. Deux solutions séparées par une membrane perméable à l'eau seulement. L'eau se déplace, elle aussi, dans le sens de son gradient — du compartiment où elle est la plus concentrée vers celui où elle l'est le moins. Or plus une solution contient de soluté, moins elle contient d'eau par litre. D'où la règle, à savoir dire dans les deux langages :

L'eau va vers le compartiment le plus concentré en soluté, c'est-à-dire vers celui le moins concentré en eau.

Ce qui compte : les particules. L'osmose ne dépend ni de la nature du soluté ni de sa masse, mais du nombre de particules dissoutes. Le chlorure de sodium libère deux ions par unité de formule ($\mathrm{Na^{+}}$ et $\mathrm{Cl^{-}}$), le chlorure de calcium trois, le glucose une seule molécule. On appelle facteur de van 't Hoff $i$ ce nombre de particules par unité de formule dissoute, et osmolarité la concentration totale en particules :

en mol de particules par litre — souvent en mmol/L, ou « mOsm/L ». Une solution de glucose à $0{,}30$ mol/L ($i = 1$) et une solution de NaCl à $0{,}15$ mol/L ($i = 2$) ont la même osmolarité, $300$ mmol/L : aucun flux net d'eau ne s'établit entre elles. Pourtant la première contient $54$ g/L de soluté et la seconde $8{,}8$ g/L. La concentration en masse ne dit rien de l'osmose.

Le repère physiologique. L'osmolarité du plasma humain vaut environ $300$ mmol de particules par litre. Une solution de NaCl à $9$ g/L, soit $0{,}154$ mol/L, est le « sérum physiologique » : $2 \times 154 = 308$ mmol/L, isotonique au plasma aux arrondis près.

Tonicité : le point de vue de la cellule. On compare l'osmolarité du milieu extérieur à celle du cytoplasme (environ $300$ mmol/L pour une cellule humaine).

• Milieu isotonique (même osmolarité) : aucun flux net d'eau, la cellule garde son volume.
• Milieu hypotonique (moins concentré en soluté que la cellule) : l'eau entre. Une hématie, sans paroi, gonfle et peut éclater — c'est l'hémolyse. Une cellule végétale gonfle jusqu'à ce que sa paroi rigide s'y oppose : elle devient turgescente, et c'est l'état normal d'un végétal bien arrosé.
• Milieu hypertonique (plus concentré) : l'eau sort. L'hématie se ratatine (crénelure). Dans la cellule végétale, la vacuole se vide et la membrane se décolle de la paroi — c'est la plasmolyse, le végétal flétrit. Le sens du flux est le même dans les deux cellules ; c'est la paroi qui change l'issue.

Quantifier : la pression osmotique. La force qui pousse l'eau vers la solution la plus concentrée se mesure par la pression osmotique $\Pi$ : la pression qu'il faudrait appliquer sur la solution pour empêcher l'eau pure d'y entrer. Pour une solution diluée, la loi de van 't Hoff donne

avec $C$ la concentration molaire du soluté en mol/m³, $R = 8{,}314$ J·mol⁻¹·K⁻¹, $T$ en kelvins, et $\Pi$ en pascals. Remarque la forme : c'est celle de l'équation des gaz parfaits, avec l'osmolarité $i\,C$ à la place de la concentration en gaz. Pour le sérum physiologique à $310$ K ($37$ °C) :

Près de huit fois la pression atmosphérique : c'est l'ordre de grandeur de ce qui pousse l'eau dans une hématie plongée dans l'eau pure — et pourquoi elle n'y résiste pas. Entre deux solutions, seule la différence d'osmolarité compte : deux solutions isotoniques ont des pressions osmotiques égales, le flux net est nul.

Transport actif : contre le gradient, à un prix. Une cellule maintient des concentrations très différentes de celles de son milieu — beaucoup de $\mathrm{K^{+}}$ et peu de $\mathrm{Na^{+}}$ à l'intérieur, l'inverse dehors. Cela exige de déplacer des ions contre leur gradient, ce que la diffusion ne peut pas faire. Il faut de l'énergie.

• Transport actif primaire : le transporteur hydrolyse lui-même l'ATP. L'exemple obligatoire est la pompe $\mathrm{Na^{+}/K^{+}}$ des cellules animales : à chaque cycle, l'hydrolyse d'une molécule d'ATP fait sortir trois $\mathrm{Na^{+}}$ et entrer deux $\mathrm{K^{+}}$. Le bilan n'est pas électriquement neutre (une charge positive nette sort par cycle) : la pompe est électrogène, ce qui contribue — modestement — au potentiel de membrane.
• Transport actif secondaire : le transporteur n'hydrolyse pas d'ATP. Il utilise le gradient d'un ion, entretenu par ailleurs par une pompe, pour faire passer une autre molécule contre son propre gradient. L'exemple obligatoire : le symport sodium-glucose de l'intestin, qui fait entrer du glucose contre son gradient en laissant entrer du $\mathrm{Na^{+}}$ dans le sens du sien. L'énergie vient de l'ATP, mais indirectement, par l'intermédiaire de la pompe qui a créé le gradient de sodium.

Reconnaître le mécanisme. Quatre questions, dans l'ordre : Est-ce de l'eau ? — osmose. La substance traverse-t-elle seule la bicouche ? — diffusion simple. Passe-t-elle dans le sens de son gradient par une protéine ? — diffusion facilitée. Contre son gradient ? — transport actif, primaire si le transporteur hydrolyse l'ATP, secondaire s'il exploite le gradient d'un autre ion. Deux mécanismes sur quatre coûtent de l'énergie ; les deux autres n'en coûtent aucune.

Énoncé. L'osmolarité interne d'une hématie vaut environ $300$ mmol de particules par litre (donnée). On dispose, à $37$ °C, de quatre solutions : (a) eau pure ; (b) glucose à $0{,}30$ mol/L ($i = 1$) ; (c) chlorure de sodium à $0{,}30$ mol/L ($i = 2$) ; (d) un mélange de chlorure de sodium à $0{,}10$ mol/L et de glucose à $0{,}10$ mol/L. (Concentrations construites pour l'exemple.)

1. Calculer l'osmolarité de chaque solution et dire si elle est hypo-, iso- ou hypertonique pour l'hématie.
2. Décrire le devenir de l'hématie dans chacune.
3. Quelle concentration de chlorure de calcium ($i = 3$) serait isotonique à la solution (b) ?
4. Calculer la pression osmotique de la solution (b) par rapport à l'eau pure, à $310$ K.

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1. Compter les particules.

• (a) Eau pure : $0$ mmol/L. Hypotonique.
• (b) Glucose : $1 \times 0{,}30 = 0{,}30$ mol/L, soit $300$ mmol/L. Isotonique.
• (c) NaCl : $2 \times 0{,}30 = 0{,}60$ mol/L, soit $600$ mmol/L. Hypertonique — deux fois plus de particules que la cellule, alors que la concentration molaire en soluté est la même qu'en (b).
• (d) Mélange : $2 \times 0{,}10 + 1 \times 0{,}10 = 0{,}30$ mol/L, soit $300$ mmol/L. Isotonique — les particules s'additionnent, quelle que soit leur origine.

2. Le devenir. (a) L'eau entre massivement, l'hématie gonfle et éclate : hémolyse. (b) Aucun flux net : forme et volume conservés. (c) L'eau sort, l'hématie se ratatine. (d) Comme (b) : rien ne se passe, bien que le mélange contienne deux solutés.

3. L'isotonie exacte. On veut $3 \times C = 0{,}30$ mol/L, donc

Contrôle en masse : $0{,}10 \times 111 = 11{,}1$ g/L de chlorure de calcium contre $0{,}30 \times 180 = 54$ g/L de glucose. Cinq fois moins de matière dissoute, même effet osmotique : c'est le facteur $i$ qui commande.

4. La pression osmotique. $C = 0{,}30$ mol/L $= 300$ mol/m³ (un mètre cube vaut mille litres) :

C'est aussi, à peu de chose près, la pression osmotique du contenu de l'hématie par rapport à l'eau pure — et donc ce qui la fait éclater dans la solution (a). Entre (b) et l'hématie, la différence est nulle : pas de flux.

Lecture. Les quatre solutions ont été choisies pour que le piège soit visible : (b) et (c) ont la même concentration molaire en soluté et des tonicités opposées ; (b) et (d) ont des compositions différentes et la même tonicité. Seule l'osmolarité — $\sum i \times C$ — prédit ce qui arrive à la cellule.

Figure (fig.biology.animal-plant-cell, figure programmatique de la leçon de seconde sur les organites, relue ici du point de vue de l'osmose) : deux cellules eucaryotes légendées côte à côte, à la même échelle, avec une barre commune de $10$ µm.

• À gauche, la cellule animale, environ $20$ µm, au contour arrondi et irrégulier : membrane plasmique en trait plein, cytoplasme, noyau central avec son enveloppe, mitochondries, réticulum, ribosomes. Rien n'entoure la membrane : c'est elle qui est la frontière avec l'extérieur.
• À droite, la cellule végétale, environ $60$ µm, au contour anguleux : les mêmes organites, plus trois structures propres — la paroi, double trait épais qui entoure la membrane plasmique par l'extérieur ; la grande vacuole centrale, qui repousse le noyau contre la membrane ; des chloroplastes. Une accolade sous les deux cellules réunit l'équipement commun ; un médaillon montre une bactérie à la même échelle.

Ce qu'il faut y lire pour cette leçon. La membrane plasmique est la même dans les deux cellules, et l'osmose y obéit à la même règle : en milieu hypotonique, l'eau entre. Mais le dessin dit ce qui se passe ensuite. À gauche, aucune structure ne retient la membrane : la cellule gonfle, et une hématie éclate. À droite, la paroi — le double trait épais — s'oppose au gonflement ; la vacuole se remplit, presse le cytoplasme contre la paroi, et la cellule devient turgescente sans éclater. C'est la vacuole de la figure, déjà énorme, qui joue le rôle de réservoir d'eau : dans une plante bien arrosée, c'est elle qui tient la tige droite.

Et en milieu hypertonique. Imagine, sur la cellule de droite, la vacuole qui se vide et le cytoplasme qui se rétracte : la membrane se décolle de la paroi, qui garde sa forme anguleuse — c'est la plasmolyse. À gauche, la cellule entière se ratatine, sans forme imposée.

Ce que la figure ne montre pas. Les protéines de transport dans la membrane (canaux, transporteurs, pompe $\mathrm{Na^{+}/K^{+}}$), les gradients ioniques de part et d'autre, et les aquaporines par lesquelles l'eau passe bien plus vite qu'à travers la bicouche seule. La membrane y est un trait ; dans la cellule, c'est une mosaïque de protéines, et c'est par elles que passe presque tout ce qui n'est ni petit ni apolaire.

Le geste de calcul. Osmolarité de chaque compartiment ($\sum i \times C$, en mmol/L), comparaison, sens du flux vers le plus concentré en particules. Pour $\Pi$ : convertir $C$ en mol/m³ (multiplier les mol/L par $1000$), calculer en pascals, diviser par $10^{5}$ pour des bars.

Ce qui n'est pas dans cette leçon. Le potentiel de membrane et les équations de Nernst et de Goldman, la cinétique des transporteurs, l'endocytose et l'exocytose, les coefficients osmotiques réels (le facteur $i$ des électrolytes est un peu inférieur à l'entier), et la distinction osmolarité/osmolalité.

1. Inverser le sens de l'osmose. L'eau va vers le compartiment le plus concentré en soluté — parce que c'est celui où elle est la moins concentrée. Dis-le dans les deux langages, et le sens ne s'inverse plus.
2. Confondre concentration en soluté et concentration en eau. Plus de soluté par litre, c'est moins d'eau par litre. La « solution la plus concentrée » (en soluté) est la moins concentrée en eau ; l'eau y va.
3. Comparer des concentrations en masse. $54$ g/L de glucose et $8{,}8$ g/L de NaCl sont isotoniques ; $0{,}30$ mol/L de NaCl est deux fois plus concentré en particules que $0{,}30$ mol/L de glucose. Seule l'osmolarité $\sum i \times C$ prédit le flux.
4. Oublier le facteur $i$. NaCl compte double, $\mathrm{CaCl_2}$ triple. Une concentration molaire de sel n'est pas une osmolarité tant qu'elle n'a pas été multipliée par $i$.
5. Croire que la diffusion coûte de l'énergie. Diffusion simple, diffusion facilitée et osmose sont passives : la protéine, quand il y en a une, accélère sans pousser. Seuls les transports contre le gradient coûtent — directement (primaire) ou indirectement (secondaire).
6. Classer le transport actif secondaire comme « sans énergie » parce qu'il n'hydrolyse pas l'ATP. Il consomme un gradient ionique, que la pompe a payé en ATP. L'énergie est indirecte, pas absente.
7. Attribuer le même devenir à une hématie et à une cellule végétale. Le flux est le même ; l'issue diffère par la paroi : hémolyse d'un côté, turgescence de l'autre.
8. Se tromper d'unité dans van 't Hoff. $C$ est en mol/m³ ($0{,}30$ mol/L $= 300$ mol/m³), $T$ en kelvins, et $\Pi$ sort en pascals. Oublier le facteur $1000$ donne une pression mille fois trop faible ; oublier la conversion en kelvins donne un résultat absurde.
9. Réciter la stœchiométrie de la pompe à l'envers. Trois $\mathrm{Na^{+}}$ sortent, deux $\mathrm{K^{+}}$ entrent, par ATP hydrolysé. Le sodium est rare dedans et abondant dehors ; la pompe entretient cet état, elle ne le crée pas en sens inverse.

Le modèle d'entraînement. L'exercice associé à cette leçon pose l'une de quatre questions : le sens du flux d'eau entre deux compartiments dont les concentrations sont tirées, le facteur de van 't Hoff donné et la concentration en masse affichée à côté — pour que la lecture « la plus concentrée en masse » soit possible, et fausse ; le devenir d'une hématie ou d'une cellule végétale dans un milieu hypo-, iso- ou hypertonique ; le type de transport d'une situation réelle ; le coût énergétique d'un transport et son mécanisme. Un modèle voisin, numérique, demande la pression osmotique par van 't Hoff, la concentration isotonique d'un soluté à une solution d'un autre, l'osmolarité d'un mélange, ou le bilan ionique de la pompe $\mathrm{Na^{+}/K^{+}}$ sur un nombre donné d'ATP.

Énoncé type. Deux compartiments sont séparés par une membrane perméable à l'eau seulement. Le compartiment 1 contient une solution de chlorure de sodium ($\mathrm{NaCl}$) à $0{,}15$ mol/L (soit $8{,}78$ g/L), $i = 2$. Le compartiment 2 contient une solution de glucose ($\mathrm{C_6H_{12}O_6}$) à $0{,}20$ mol/L (soit $36$ g/L), $i = 1$. Dans quel sens s'établit le flux net d'eau ?

• (A) De 1 vers 2, car la solution 2 est la plus concentrée en masse.
• (B) De 2 vers 1, car la solution 1 est la plus concentrée en particules.
• (C) De 1 vers 2, car la solution 2 a la concentration molaire la plus élevée.
• (D) Aucun flux net : les deux solutions sont isotoniques.

Corrigé complet.

1. Compter les particules, pas les grammes ni les moles de soluté.

2. Comparer. Le compartiment 1 est le plus concentré en particules ($300 > 200$), donc le moins concentré en eau.

3. Conclure. L'eau va vers le compartiment le plus concentré en soluté : de 2 vers 1. Réponse (B).

4. Éliminer les distracteurs. (A) compare des concentrations en masse : $36$ g/L contre $8{,}78$ g/L, c'est vrai et sans rapport avec l'osmose. (C) compare des concentrations molaires en soluté sans le facteur $i$ : $0{,}20 > 0{,}15$, mais $1 \times 0{,}20 < 2 \times 0{,}15$. (D) exigerait $300 = 200$. Les deux solutions ne sont pas isotoniques, et l'écart ($50\ \%$) est franc.

Réponse : (B) — l'eau va de 2 vers 1, vers la solution de chlorure de sodium, la plus concentrée en particules.

Auto-contrôle. Ai-je multiplié chaque concentration par son facteur $i$ avant de comparer ? Ai-je ignoré les grammes par litre, qui ne servent qu'à tenter ? Le sens que j'annonce est-il « vers le plus de soluté », c'est-à-dire « vers le moins d'eau » ? Et si une cellule se trouvait dans la solution 2 avec $300$ mmol/L à l'intérieur, saurais-je dire qu'elle gonflerait — et qu'elle éclaterait sans paroi ?