Diffusion et osmose

Membranes cellulaires et diffusion

Pour fonctionner, les cellules doivent faire entrer et sortir des matériaux de leur cytoplasme via leurs membranes cellulaires. Ces membranes sont semi-perméables, ce qui signifie que certaines molécules sont autorisées à passer, mais pas d’autres. Ce mouvement des molécules est médié par la bicouche phospholipidique et ses protéines intégrées, dont certaines agissent comme des canaux de transport pour des molécules qui ne pourraient autrement pas passer à travers la membrane, telles que les ions et les glucides.

Taille de la cellule et rapport surface/volume

L’une des raisons pour lesquelles les cellules sont si petites est la nécessité de transporter des molécules à l’intérieur, à travers et hors de la cellule. Il existe une contrainte géométrique sur les cellules en raison de la relation entre la surface et le volume qui limite la capacité d’apporter suffisamment de nutriments pour supporter une plus grande taille de cellule. Le rapport entre la surface et le volume (SA :V) diminue à mesure que la taille de la cellule augmente en raison des différents facteurs d’échelle de la surface et du volume. Cela signifie qu’à mesure que la cellule s’agrandit, il y a moins de surface membranaire capable de fournir des nutriments à un plus grand volume cellulaire.

Certains ions sont amenés dans la cellule par diffusion, c’est-à-dire le mouvement net des particules d’une zone de forte concentration vers une zone de faible concentration. C’est ce qu’on appelle le déplacement « vers le bas » d’un gradient de concentration. La diffusion est directionnelle ; Alors que le mouvement net des particules se fait le long du gradient de concentration, elles se déplacent constamment dans les deux sens en raison du mouvement aléatoire des particules. Cela signifie que les particules dans les solutions à l’équilibre se déplacent toujours, mais à un taux d’échange constant, de sorte que la solution reste uniformément mélangée. Dans un environnement aqueux tel que la cellule, ce processus implique des ions dissous, appelés solutés, se déplaçant dans l’eau, le solvant. Elle peut se produire dans un environnement ouvert, comme un colorant se propageant à travers un bécher, ou à travers une membrane cellulaire, comme des ions se déplaçant dans un canal protéique.

L’osmose et le mouvement de l’eau

L’eau se déplace à travers les membranes cellulaires par diffusion, dans un processus connu sous le nom d’osmose. L’osmose fait spécifiquement référence au mouvement de l’eau à travers une membrane semi-perméable, le solvant (l’eau, par exemple) se déplaçant d’une zone de faible concentration de soluté (matière dissoute) à une zone de forte concentration de soluté. Dans ce cas, la membrane semi-perméable ne laisse pas passer le soluté. Cela peut être considéré comme de l’eau se déplaçant le long de son propre gradient de concentration et implique le même processus aléatoire que la diffusion.

Les solutions séparées par des membranes semi-perméables peuvent être décrites comme hypertoniques, hypotoniques ou isotoniques selon les concentrations relatives de solutés dans chacune d’elles. Une solution hypertonique (hyper- signifiant « au-dessus » en grec) a une plus grande concentration de solutés qu’une solution adjacente, tandis qu’une solution hypotonique (hypo- signifiant « en dessous » en grec) a une concentration plus faible de solutés. Dans cette situation, l’eau passera de la solution hypotonique à la solution hypertonique jusqu’à ce que les concentrations de soluté soient égales. Les solutions isotoniques (iso- signifiant « égal » en grec) ont des concentrations égales de soluté, et n’ont donc pas de gradient de concentration ¹.

L’osmose et la cellule végétale

La capacité de l’eau à se déplacer dans les cellules est différente entre les cellules végétales et animales en raison de la présence d’une paroi cellulaire chez les plantes. Les parois cellulaires sont rigides et ne sont perméables qu’à de très petites molécules. Lorsque l’eau pénètre dans la cellule, la membrane est poussée contre la paroi cellulaire, créant une pression hydrostatique ou turgescence. Cette pression limite le débit et la quantité d’eau qui peuvent pénétrer dans la cellule. La probabilité que l’eau se déplace dans une cellule est appelée potentiel hydrique, défini quantitativement comme le potentiel de pression plus le potentiel de soluté. Le potentiel de pression dépend de la pression à l’intérieur de la cellule et le potentiel de soluté dépend de la concentration de soluté dans la cellule.

Le potentiel hydrique peut être observé en action dans une cellule végétale vivante, comme Elodea, une plante aquatique. Au microscope, un phénomène appelé flux cytoplasmique, ou cyclose, dans lequel le cytoplasme et les organites tels que les chloroplastes se déplacent dans toute la cellule, peut être surveillé. Ce processus change visiblement lorsque les cellules sont immergées dans différentes solutions. Il est intéressant de noter que ce mouvement permet aux chloroplastes de fonctionner plus efficacement dans la photosynthèse ; Ils entrent et sortent de l’ombre, collectant des photons lorsqu’ils rentrent dans les régions éclairées des cellules³.

Le processus d’osmose est essentiel pour le mécanisme par lequel les plantes reçoivent de l’eau de leurs racines à leurs feuilles, même à des dizaines de pieds au-dessus du niveau du sol. En bref, les plantes transportent des sucres et d’autres solutés vers leurs racines afin de générer un gradient entre l’intérieur et l’extérieur de la racine ; L’eau du sol pénètre ensuite dans la racine par osmose. À partir de ce moment, un processus appelé transpiration fait en sorte que l’eau est tirée vers le haut des tubes à l’intérieur de la plante appelés xylème et s’évapore des feuilles. Idéalement, une fois cette colonne d’eau établie, elle reste intacte tout au long de la vie de la plante. ⁴

Ce phénomène naturel a été utilisé pour développer des technologies précieuses. Un exemple est la purification de l’eau. Récemment, la NASA a commencé à étudier l’utilisation du processus d’osmose directe pour nettoyer et réutiliser les eaux usées à bord de la Station spatiale internationale, ainsi que pour des applications terrestres. ² Ce processus utilise des membranes semi-perméables pour éliminer les impuretés de l’eau, ce qui la rend propre à la consommation. Cette technologie a été déployée récemment pour contribuer aux efforts de secours après une grave inondation dans l’ouest du Kenya⁵.

Références

1. Soult, Allison. LibreTexts, Chimie. 8.4 Osmose et diffusion. [En ligne] 19 octobre 2017. https ://chem.libretexts.org/LibreTexts/University_of_Kentucky/UK %3A_CHE_103_-_Chemistry_for_Allied_Health_(Soult)/Chapters/Chapter_8%3A_Properties_of_Solutions/8.4%3A_Osmosis_and_Diffusion.
2. Levine, Howard. Sac d’osmose avant de la NASA. Centre spatial Kennedy de la NASA, Cap Canaveral, Floride, États-Unis. [En ligne] 11 juillet 2018. https://www.nasa.gov/mission_pages/station/research/experiments/846.html.
3. Dodonova SO, Bulychev AA (2011). « Effet du flux cytoplasmique sur l’activité photosynthétique des chloroplastes dans les entre-nœuds de Chara Corallina ». Journal russe de physiologie végétale. 59 : 35 à 41. doi :10.1134/S1021443711050050.
4. Osmose et nutrition des plantes. Hammer, Michael. 2000, Le rhododendron, Vol. 40.
5. Innovations en matière de technologie d’hydratation. Filtration de l’eau par osmose directe humanitaire. [En ligne] [Cité : 21 août 2018.] http://www.htiwater.com/divisions/humanitarian/lead_story.html.