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41.1B : Transport d'électrolytes à travers les membranes cellulaires - Biologie

41.1B : Transport d'électrolytes à travers les membranes cellulaires - Biologie


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Les ions ne peuvent pas diffuser passivement à travers les membranes ; au lieu de cela, leurs concentrations sont régulées par une diffusion facilitée et un transport actif.

Objectifs d'apprentissage

  • Expliquer la relation entre la pression osmotique et le transport des électrolytes à travers les membranes cellulaires

Points clés

  • Les ions importants ne peuvent pas traverser les membranes par diffusion passive ; s'ils le pouvaient, il serait impossible de maintenir des concentrations spécifiques d'ions.
  • La pression osmotique est directement proportionnelle au nombre d'atomes ou de molécules de soluté; les ions exercent plus de pression par unité de masse que les non-électrolytes.
  • Les ions électrolytes nécessitent une diffusion facilitée et un transport actif pour traverser les membranes semi-perméables.
  • La diffusion facilitée se produit à travers des canaux à base de protéines, qui permettent le passage du soluté le long d'un gradient de concentration.
  • Dans le transport actif, l'énergie de l'ATP modifie la forme des protéines membranaires qui déplacent les ions contre un gradient de concentration.

Mots clés

  • diffusion facilitée: Le passage spontané de molécules ou d'ions à travers une membrane biologique en passant par des protéines intégrales transmembranaires spécifiques.
  • diffusion passive: mouvement de l'eau et d'autres molécules à travers les membranes le long d'un gradient de concentration
  • transport actif: mouvement d'une substance à travers une membrane cellulaire contre son gradient de concentration (de faible à forte concentration) facilité par la conversion de l'ATP

Transport d'électrolytes à travers les membranes cellulaires

Une cuillère à café de sel de table se dissout facilement dans l'eau. La solubilité du chlorure de sodium résulte de sa capacité à s'ioniser dans l'eau. Le sel et d'autres composés qui se dissocient en leurs ions composants sont appelés électrolytes. Dans l'eau, le chlorure de sodium (NaCl) se dissocie en l'ion sodium (Na+) et l'ion chlorure (Cl). Les ions les plus importants, dont les concentrations sont très étroitement régulées dans les fluides corporels, sont les cations sodium (Na+), potassium (K+), calcium (Ca+2) et magnésium (Mg+2) ; et les anions chlorure (Cl-), carbonate (CO3-2), bicarbonate (HCO3-) et phosphate (PO3-). Les électrolytes sont perdus du corps pendant la miction et la transpiration. Pour cette raison, les athlètes sont encouragés à remplacer les électrolytes et les fluides pendant les périodes d'activité et de transpiration accrues.

La pression osmotique est influencée par la concentration de solutés dans une solution. Il est directement proportionnel au nombre d'atomes ou de molécules de soluté et ne dépend pas de la taille des molécules de soluté. Parce que les électrolytes se dissocient en ions, ajoutant relativement plus de molécules de soluté à une solution, ils exercent une plus grande pression osmotique par unité de masse que les non-électrolytes tels que le glucose.

L'eau traverse des membranes semi-perméables par diffusion passive, se déplaçant le long d'un gradient de concentration et égalisant la concentration de chaque côté de la membrane. Les ions électrolytes peuvent ne pas être capables de diffuser passivement à travers une membrane, mais peuvent nécessiter à la place des mécanismes spéciaux pour traverser la membrane semi-perméable. Les mécanismes qui transportent les ions à travers les membranes sont la diffusion facilitée et le transport actif. La diffusion facilitée des solutés se produit à travers des canaux à base de protéines. Le transport actif nécessite de l'énergie sous forme de conversion d'ATP, de protéines porteuses ou de pompes afin de déplacer les ions contre le gradient de concentration.

Transport à travers les membranes cellulaires: Paul Andersen décrit comment les cellules déplacent les matériaux à travers la membrane cellulaire. Tout mouvement peut être classé comme passif ou actif. Le transport passif, tel que la diffusion, ne nécessite aucune énergie car les particules se déplacent le long de leur gradient. Le transport actif nécessite une énergie supplémentaire lorsque les particules se déplacent contre leur gradient. Des exemples spécifiques, tels que GLUT et la pompe Na/K, sont inclus.


Transport d'ions à travers la membrane cellulaire

Les organismes vivants peuvent être résolus en organes, glandes, tissus, cellules et organites. Il est très intéressant en biologie de savoir comment les solutés et l'eau entrent et sortent des cellules et des organites. La plus grande attention doit être accordée aux érythrocytes et aux mitochon­drion. La membrane cellulaire est une structure lipoprotéique complexe.

Certains canaux sont ouverts en continu, tandis que d'autres sont fermés, c'est-à-dire qu'ils ont des portes qui s'ouvrent ou se ferment. Certains sont bloqués par des altérations du potentiel membranaire (voltage gated), tandis que d'autres sont ouverts ou fermés lorsqu'ils se lient à un ligand (ligand gated).

Le ligand est souvent externe (neurotransmetteur ou hormone) ou interne (Ca++ intracellulaire, AMPc). D'autres protéines de transport sont des transporteurs qui se lient aux ions et à d'autres molécules, puis changent de configuration, déplaçant la molécule liée d'un côté de la membrane cellulaire à l'autre.

Les molécules se déplacent des zones de forte concentration vers les zones de faible concentration (vers le bas de leur gradient chimique). Les cations se déplacent vers les zones chargées négativement tandis que les anions se déplacent vers les zones chargées positivement (vers le bas de leur gradient électrique), canal contrôlé par le ligand.

Certaines des protéines porteuses sont appelées uniports car elles ne transportent qu'une seule substance. D'autres sont appelés symports car le transport nécessite la liaison de plus d'une substance à la protéine de transport et les substances sont transportées ensemble à travers la membrane.

Dans la muqueuse intestinale qui est responsable du cotransport par diffusion facilitée de Na + et de glu­cose de la lumière intestinale dans les cellules de la muqueuse. D'autres transporteurs sont appelés anti-ports car ils échangent une substance contre une autre. Exemple : Na + – K + ATPase.

Il catalyse l'hydrolyse de l'ATP en ADP et utilise l'énergie pour extruder le 3Na + de la cellule et introduire du 2K + dans la cellule pour chaque mole d'ATP hydrolysée. On dit que la pompe a un rapport de couplage de 3/2. Son activité est inhibée par l'ouabaïne et liée aux glycosides digitaliques utilisés dans le traitement de l'insuffisance cardiaque.

Na + -K + ATPase est un hétérodimère constitué de sous-unités α et .

Le transport de Na + et K + s'effectue à travers une sous-unité.

La sous-unité β est une glycoprotéine.

Les substances traversant la bicouche lipidique de la membrane cellulaire par simple diffusion sont :

1. Toutes les substances liposolubles.

2. Gaz liposolubles principalement CO2, ô2 et n2.

3. L'eau, bien que non liposoluble, passe en raison de la petite taille moléculaire et de l'énergie cinétique élevée.

Les substances passant à travers les canaux protéiques de la membrane cellulaire par simple diffusion sont :

1. Ions principalement Na + , K + et Ca ++ .

A. Diffusion passive:

1. Certains solutés traversent la membrane cellulaire par simple diffusion avec le gradient de concentration.

Cela peut être exprimé par la modification de la loi de Fick :

où, P = le coefficient de perméabilité.

C0 et Cje = la concentration de la solution à l'extérieur et à l'intérieur de la membrane, respectivement.

ds/dt = vitesse de déplacement du soluté.

2. Les solutés liposolubles traversent plus facilement les membranes cellulaires que les solutés insolubles dans les lipides. Parce que la membrane cellulaire est constituée de petits pores remplis d'eau de ra­dius d'environ 0,4 nm. à travers lequel passent les solutés hydrosolubles de taille moléculaire appropriée, entourés de zones lipidiques à travers lesquelles pénètrent les solutés liposolubles.

3. L'eau diffuse à travers les pores de la cellule d'une solution de faible concentration à une solution de forte concentration et ce "flux en vrac" de liquide à travers la membrane accélérera la diffusion des molécules dans le sens du flux et ralentira ceux qui se déplacent dans la direction opposée. Cet effet de « traînée » est une seconde force agissant en diffusion passive.

4. La troisième force qui peut opérer est un potentiel électrique à travers la membrane. De nombreuses membranes cellulaires peuvent maintenir une différence potentielle entre leur intérieur et leur extérieur et le gradient de potentiel agit comme une force motrice pour le transport passif à travers la cellule. La membrane agit comme une barrière passive.

B. Transfert facilité:

1. Certains composés, par exemple le sucre, les acides aminés, traversent les membranes plus rapidement que prévu. C'est à cause de l'effet d'un transporteur.

2. Le support dans la membrane se combine avec la substance à transporter et d'une certaine manière transporté à travers la membrane et libéré de l'autre côté.

3. En cas de réactions enzymatiques, il y a un “effet de saturation”. La vitesse de transport du soluté augmente lorsque le support, l'enzyme, est saturé. Ce type est parfois appelé “diffusion catalysée”.

4. Un autre mécanisme est que la substance à transférer est convertie en une autre qui pénétrera plus facilement dans la membrane, par exemple, la membrane mitochondriale est imperméable aux dérivés de l'acyle coenzyme A. Le groupe acyle est transféré à la car­nitine pour former un dérivé acyl carnitine qui peut traverser la membrane. Le dérivé acyl coenzyme A est ensuite reformé de l'autre côté de la membrane.

Les acides gras peuvent également être transférés dans et hors des mitochondries.

L'acétyl-CoA dans les mitochondries peut être transféré à l'oxaloacétate pour donner du citrate auquel la membrane mitochondriale est perméable. Le citrate passe dans le cytoplasme où il est divisé enzymatiquement pour donner à nouveau de l'acétyl-CoA.

1. La membrane cellulaire forme des poches ou des invaginations qui peuvent attirer des matériaux de l'extérieur vers l'intérieur de la cellule.

2. Les vésicules s'étendent dans la cellule où elles sont pincées et libèrent finalement leur contenu dans la cellule d'une manière inconnue.

3. Ce processus se produit chez les fœtus et les animaux nouveau-nés et aide à l'absorption des protéines intactes de l'intestin.

D. Transport d'ions:

1. La membrane elle-même contient des groupes polaires et est donc chargée électriquement.

2. Le transport de la plupart des ions se produit plus lentement que celui des non-électrolytes. Mais H + , OH − pénètrent facilement dans toutes les membranes cellulaires. Le globule rouge est facilement pénétré par Cl − et HCO − 3.

3. Dans le cas des ions, en particulier Na + et K + , la perméabilité est très faible. La concentration élevée de K + et la faible concentration de Na + qui se trouvent souvent dans les cellules sont maintenues par un mécanisme spécial qui implique la dépense d'énergie.

E. Transport actif:

1. Le processus par lequel les solutés peuvent souvent traverser les membranes contre leur gradient de concentration nécessite de l'énergie. Ce processus est appelé transport actif.

2. Le transport actif est impliqué dans l'absorption par l'intestin grêle du glucose et du galactose, des acides aminés et d'autres substances importantes pour le corps.

3. Un dispositif de transport actif qui force Na + à sortir et K + à entrer a été appelé « Pompe à sodium / 8221.

4. Le mécanisme nécessite un porteur qui peut exister sous deux formes avec des affinités différentes pour Na + et K + . L'ATPase y est impliquée (voir transport actif du glucose).


3. Osmose

Osmose (du grec osmose = pousser) est le mouvement de l'eau à travers les membranes cellulaires de la solution à faible concentration (solution hypotonique) à la solution à plus forte concentration de solutés (solution hypertonique). L'osmose est le principal mécanisme de distribution de l'eau dans le corps [1] .

Lorsque vous buvez des boissons habituelles, comme de l'eau et des jus de fruits, le liquide dans votre intestin deviendra moins concentré (hypotonique) par rapport au plasma sanguin, il traversera donc la paroi intestinale dans le sang, par le principe de l'osmose.

L'osmose peut aussi causer des problèmes :

Lorsqu'une personne intolérante au lactose boit beaucoup de lait, le lactose non absorbé s'accumule dans le liquide intestinal, qui deviendra hypertonique par rapport au liquide de la paroi intestinale, de sorte que le liquide commencera à se déplacer de la paroi intestinale vers la paroi intestinale. intestin et provoquer ainsi la diarrhée.

Lorsqu'une personne boit une grande quantité d'eau en peu de temps et ne consomme pas ou très peu de sel, l'eau absorbée de l'intestin dans le plasma sanguin rendra le plasma sanguin moins concentré (hypotonique) par rapport au liquide dans le cerveau, donc l'eau passera du sang aux cellules du cerveau, ce qui entraînera un gonflement du cerveau. C'est ce qu'on appelle l'intoxication hydrique.


Transport à travers les membranes cellulaires

Les parties essentielles et continues de la vie d'une cellule sont l'absorption des nutriments et l'expulsion des déchets. Tous ces éléments doivent traverser la membrane cellulaire.

Le transport peut se produire par diffusion et osmose à travers la membrane. Il peut également se produire lorsqu'une vésicule s'attache à la membrane cellulaire de l'intérieur puis s'ouvre pour former une poche, expulsant son contenu vers l'extérieur. Cela peut être appelé exocytose. La membrane cellulaire peut également envelopper quelque chose à l'extérieur et l'entourer, l'amenant dans la cellule. Cela peut être appelé endocytose ou phagocytose.

Il existe également des exemples où des molécules se déplacent à travers une membrane d'une région de faible concentration à une région de forte concentration, ce qui nécessite une source d'énergie pour « pomper » les molécules vers le haut en concentration. De tels processus sont appelés transport actif.


Structure et composition de la membrane cellulaire

Figure 1. Structure des phospholipides. Une molécule de phospholipide se compose d'une « tête » de phosphate polaire qui est hydrophile et d'une « queue » de lipide non polaire qui est hydrophobe. Les acides gras insaturés entraînent des plis dans les queues hydrophobes.

Les membrane cellulaire est une structure extrêmement souple composée principalement de phospholipides dos à dos (une « bicouche »). Le cholestérol est également présent, ce qui contribue à la fluidité de la membrane, et il existe diverses protéines intégrées dans la membrane qui ont diverses fonctions. Une seule molécule de phospholipide a un groupe phosphate à une extrémité, appelée « tête », et deux chaînes côte à côte d'acides gras qui constituent les queues lipidiques (Figure 1). Le groupe phosphate est chargé négativement, ce qui rend la tête polaire et hydrophile – ou « aime l'eau ».

UNE hydrophile molécule (ou région d'une molécule) est celle qui est attirée par l'eau. Les têtes de phosphate sont ainsi attirées par les molécules d'eau des environnements extracellulaire et intracellulaire. Les queues lipidiques, en revanche, ne sont pas chargées ou non polaires et sont hydrophobes – ou « craignent l'eau ».

UNE hydrophobe molécule (ou région d'une molécule) repousse et est repoussée par l'eau. Certaines queues lipidiques sont constituées d'acides gras saturés et d'autres contiennent des acides gras insaturés. Cette combinaison ajoute à la fluidité des queues qui sont constamment en mouvement. Les phospholipides sont donc des molécules amphipathiques.

Un amphipathique molécule est celle qui contient à la fois une région hydrophile et une région hydrophobe. En fait, le savon élimine les taches d'huile et de graisse car il possède des propriétés amphipathiques. La partie hydrophile peut se dissoudre dans l'eau tandis que la partie hydrophobe peut piéger la graisse dans des micelles qui peuvent ensuite être éliminées par lavage.

Figure 2. Bicouche phospholipidique. La bicouche phospholipidique est constituée de deux feuilles adjacentes de phospholipides, disposées queue à queue. Les queues hydrophobes s'associent les unes aux autres, formant l'intérieur de la membrane. Les têtes polaires entrent en contact avec le fluide à l'intérieur et à l'extérieur de la cellule.

La membrane cellulaire est constituée de deux couches adjacentes de phospholipides. Les queues lipidiques d'une couche font face aux queues lipidiques de l'autre couche, se rencontrant à l'interface des deux couches. Les têtes phospholipidiques sont tournées vers l'extérieur, une couche exposée à l'intérieur de la cellule et une couche exposée à l'extérieur (Figure 2).

Parce que les groupes phosphate sont polaires et hydrophiles, ils sont attirés par l'eau dans le liquide intracellulaire. Liquide intracellulaire (CIF) est l'intérieur fluide de la cellule. Les groupes phosphate sont également attirés par le liquide extracellulaire. Liquide extracellulaire (ECF) est l'environnement fluide à l'extérieur de l'enceinte de la membrane cellulaire. Liquide interstitiel (SI) est le terme donné au liquide extracellulaire non contenu dans les vaisseaux sanguins. Parce que les queues lipidiques sont hydrophobes, elles se rencontrent dans la région interne de la membrane, excluant le liquide intracellulaire et extracellulaire aqueux de cet espace. La membrane cellulaire contient de nombreuses protéines, ainsi que d'autres lipides (comme le cholestérol), qui sont associés à la bicouche phospholipidique. Une caractéristique importante de la membrane est qu'elle reste fluide, les lipides et les protéines de la membrane cellulaire ne sont pas rigidement verrouillés en place.

Protéines membranaires

La bicouche lipidique forme la base de la membrane cellulaire, mais elle est parsemée de diverses protéines. Deux types différents de protéines qui sont couramment associés à la membrane cellulaire sont les protéines intégrales et les protéines périphériques (Figure 3). Comme son nom l'indique, un Protéine intégrale est une protéine intégrée dans la membrane. UNE protéine de canal est un exemple de protéine intégrale qui permet sélectivement à des matériaux particuliers, tels que certains ions, d'entrer ou de sortir de la cellule.

Figure 3. Membrane cellulaire. La membrane cellulaire de la cellule est une bicouche phospholipidique contenant de nombreux composants moléculaires différents, y compris des protéines et du cholestérol, certains avec des groupes d'hydrates de carbone attachés.

Un autre groupe important de protéines intégrales sont les protéines de reconnaissance cellulaire, qui servent à marquer l'identité d'une cellule afin qu'elle puisse être reconnue par d'autres cellules. UNE récepteur est un type de protéine de reconnaissance qui peut lier sélectivement une molécule spécifique à l'extérieur de la cellule, et cette liaison induit une réaction chimique à l'intérieur de la cellule. UNE ligand est la molécule spécifique qui se lie à un récepteur et l'active. Certaines protéines intégrales jouent le double rôle de récepteur et de canal ionique. Un exemple d'interaction récepteur-ligand est celui des récepteurs des cellules nerveuses qui se lient aux neurotransmetteurs, tels que la dopamine. Lorsqu'une molécule de dopamine se lie à une protéine réceptrice de la dopamine, un canal au sein de la protéine transmembranaire s'ouvre pour permettre à certains ions de s'écouler dans la cellule.

Certaines protéines membranaires intégrales sont des glycoprotéines. UNE glycoprotéine est une protéine à laquelle sont attachées des molécules de glucides, qui s'étendent dans la matrice extracellulaire. Les balises glucidiques attachées aux glycoprotéines facilitent la reconnaissance cellulaire. Les glucides qui s'étendent des protéines membranaires et même de certains lipides membranaires forment collectivement le glycocalyx.

Les glycocalyx est un revêtement d'apparence floue autour de la cellule formé de glycoprotéines et d'autres glucides attachés à la membrane cellulaire. Le glycocalyx peut avoir différents rôles. Par exemple, il peut contenir des molécules qui permettent à la cellule de se lier à une autre cellule, il peut contenir des récepteurs d'hormones ou il peut avoir des enzymes pour décomposer les nutriments. Les glycocalyces trouvés dans le corps d'une personne sont des produits de la constitution génétique de cette personne. Ils donnent à chacun des billions de cellules de l'individu l'« identité » d'appartenance au corps de la personne. Cette identité est le principal moyen par lequel les cellules de défense immunitaire d'une personne "savent" ne pas attaquer les propres cellules de son corps, mais c'est aussi la raison pour laquelle les organes donnés par une autre personne pourraient être rejetés.

Protéines périphériques se trouvent généralement sur la surface interne ou externe de la bicouche lipidique, mais peuvent également être attachés à la surface interne ou externe d'une protéine intégrale. Ces protéines remplissent généralement une fonction spécifique pour la cellule. Certaines protéines périphériques à la surface des cellules intestinales, par exemple, agissent comme des enzymes digestives pour décomposer les nutriments à des tailles pouvant passer à travers les cellules et dans la circulation sanguine.

Transport à travers la membrane cellulaire

L'une des grandes merveilles de la membrane cellulaire est sa capacité à réguler la concentration de substances à l'intérieur de la cellule. Ces substances comprennent des ions tels que Ca ++ , Na + , K + , et Cl - nutriments dont les sucres, les acides gras et les acides aminés et les déchets, en particulier le dioxyde de carbone (CO2), qui doit quitter la cellule. La structure bicouche lipidique de la membrane fournit le premier niveau de contrôle. Les phospholipides sont étroitement emballés ensemble et la membrane a un intérieur hydrophobe. Cette structure rend la membrane sélectivement perméable. Une membrane qui a perméabilité sélective permet uniquement aux substances répondant à certains critères de le traverser sans aide. Dans le cas de la membrane cellulaire, seuls des matériaux non polaires relativement petits peuvent se déplacer à travers la bicouche lipidique (rappelez-vous, les queues lipidiques de la membrane sont non polaires). Quelques exemples de ceux-ci sont d'autres lipides, l'oxygène et le dioxyde de carbone et l'alcool. Cependant, les matériaux solubles dans l'eau, comme le glucose, les acides aminés et les électrolytes, ont besoin d'aide pour traverser la membrane car ils sont repoussés par les queues hydrophobes de la bicouche phospholipidique. Toutes les substances qui se déplacent à travers la membrane le font par l'une des deux méthodes générales, qui sont classées selon qu'il faut ou non de l'énergie. Transport passif est le mouvement de substances à travers la membrane sans dépense d'énergie cellulaire. En revanche, transport actif est le mouvement de substances à travers la membrane en utilisant l'énergie de l'adénosine triphosphate (ATP).

Transport passif

Pour comprendre comment les substances se déplacent passivement à travers une membrane cellulaire, il est nécessaire de comprendre les gradients de concentration et la diffusion. UNE le gradient de concentration est la différence de concentration d'une substance dans un espace. Les molécules (ou ions) se répandront/diffusionront de l'endroit où elles sont plus concentrées à l'endroit où elles sont moins concentrées jusqu'à ce qu'elles soient également réparties dans cet espace. (Quand les molécules se déplacent de cette manière, on dit qu'elles se déplacent vers le bas leur gradient de concentration.) La diffusion est le mouvement des particules d'une zone de concentration plus élevée vers une zone de concentration plus faible. Quelques exemples courants aideront à illustrer ce concept. Imaginez être à l'intérieur d'une salle de bain fermée. Si un flacon de parfum était vaporisé, les molécules olfactives diffuseraient naturellement de l'endroit où elles ont quitté le flacon vers tous les coins de la salle de bain, et cette diffusion se poursuivrait jusqu'à ce qu'il ne reste plus de gradient de concentration. Un autre exemple est une cuillerée de sucre placée dans une tasse de thé. Finalement, le sucre se diffusera dans le thé jusqu'à ce qu'il ne reste plus de gradient de concentration. Dans les deux cas, si la pièce est plus chaude ou le thé plus chaud, la diffusion se produit encore plus rapidement car les molécules se heurtent et s'étalent plus rapidement qu'à des températures plus froides. Avoir une température corporelle interne d'environ 98,6 ° F aide donc également à la diffusion des particules dans le corps.

Chaque fois qu'une substance existe en plus grande concentration sur un côté d'une membrane semi-perméable, telle que les membranes cellulaires, toute substance qui peut descendre son gradient de concentration à travers la membrane le fera. Considérez les substances qui peuvent facilement diffuser à travers la bicouche lipidique de la membrane cellulaire, telles que les gaz oxygène (O2) et Cie2. O2 diffuse généralement dans les cellules car il est plus concentré à l'extérieur d'elles, et le CO2 diffuse généralement hors des cellules car il est plus concentré à l'intérieur de celles-ci. Aucun de ces exemples ne nécessite d'énergie de la part de la cellule et, par conséquent, ils utilisent un transport passif pour se déplacer à travers la membrane. Avant de continuer, vous devez passer en revue les gaz qui peuvent diffuser à travers une membrane cellulaire. Étant donné que les cellules consomment rapidement de l'oxygène pendant le métabolisme, la concentration d'O est généralement plus faible.2 à l'intérieur de la cellule qu'à l'extérieur. En conséquence, l'oxygène diffusera du liquide interstitiel directement à travers la bicouche lipidique de la membrane et dans le cytoplasme à l'intérieur de la cellule. D'autre part, parce que les cellules produisent du CO2 en tant que sous-produit du métabolisme, le CO2 les concentrations augmentent dans le cytoplasme donc, le CO2 se déplacera de la cellule à travers la bicouche lipidique et dans le liquide interstitiel, où sa concentration est plus faible. Ce mécanisme de propagation des molécules d'où elles sont plus concentrées vers où elles sont moins concentrées est une forme de transport passif appelé diffusion simple (Figure 4).

Figure 4. Diffusion simple à travers la membrane cellulaire (plasma). La structure de la bicouche lipidique ne permet qu'à de petites substances non polaires telles que l'oxygène et le dioxyde de carbone de traverser la membrane cellulaire, en descendant leur gradient de concentration, par simple diffusion.

Les solutés dissous dans l'eau de chaque côté de la membrane cellulaire auront tendance à diffuser vers le bas de leurs gradients de concentration, mais comme la plupart des substances ne peuvent pas traverser librement la bicouche lipidique de la membrane cellulaire, leur mouvement est limité aux canaux protéiques et aux mécanismes de transport spécialisés dans la membrane. . Diffusion facilitée est le processus de diffusion utilisé pour les substances qui ne peuvent pas traverser la bicouche lipidique en raison de leur taille et/ou de leur polarité (Figure 5). Un exemple courant de diffusion facilitée est le mouvement du glucose dans la cellule, où il est utilisé pour fabriquer de l'ATP. Bien que le glucose puisse être plus concentré à l'extérieur d'une cellule, il ne peut pas traverser la bicouche lipidique par simple diffusion car il est à la fois grand et polaire. Pour résoudre ce problème, une protéine porteuse spécialisée appelée transporteur de glucose transférera les molécules de glucose dans la cellule pour faciliter sa diffusion vers l'intérieur.

Figure 5. Diffusion facilitée. (a) La diffusion facilitée de substances traversant la membrane cellulaire (plasma) a lieu à l'aide de protéines telles que les protéines de canal et les protéines porteuses. Les protéines de canal sont moins sélectives que les protéines porteuses et font généralement une légère distinction entre leur cargaison en fonction de la taille et de la charge. (b) Les protéines porteuses sont plus sélectives, ne permettant souvent qu'un seul type particulier de molécule de se croiser.

Dans certains cas, la diffusion facilitée peut déplacer deux substances dans la même direction à travers la membrane, appelée « symport ». Par exemple, dans les cellules intestinales, les ions sodium et les molécules de glucose sont co-transportés dans les cellules. Dans d'autres cas, la diffusion facilitée peut ne nécessiter qu'un canal en forme de tunnel pour que des solutés particuliers, tels que des électrolytes (petits ions chargés), passent à travers la membrane (c'est ce qu'on appelle un «uniport»). A titre d'exemple, même si les ions sodium (Na + ) sont fortement concentrés à l'extérieur des cellules, ces électrolytes sont polarisés et ne peuvent pas traverser la bicouche lipidique non polaire de la membrane. Leur diffusion est facilitée par des protéines membranaires qui forment des canaux sodiques (ou « pores »), de sorte que les ions Na + peuvent descendre leur gradient de concentration de l'extérieur des cellules vers l'intérieur des cellules. Il existe de nombreux autres solutés qui doivent subir une diffusion facilitée pour entrer dans une cellule, comme les acides aminés, ou pour sortir d'une cellule, comme les déchets. La diffusion facilitée étant un processus passif, elle ne nécessite pas de dépense énergétique de la part de la cellule. L'eau peut également se déplacer librement à travers la membrane cellulaire de toutes les cellules, soit par des canaux protéiques, soit en glissant entre les queues lipidiques de la membrane elle-même. Osmose est la diffusion de l'eau à travers une membrane semi-perméable (Figure 6).

Figure 6. Osmose. L'osmose est la diffusion de l'eau à travers une membrane semi-perméable vers le bas de son gradient de concentration. Si une membrane est perméable à l'eau, mais pas à un soluté, l'eau égalisera sa propre concentration en diffusant du côté de la concentration en eau la plus faible (et donc du côté de la concentration en soluté la plus élevée). Dans le bécher de gauche, la solution du côté droit de la membrane est hypertonique.

Le mouvement des molécules d'eau n'est pas lui-même régulé par les cellules, il est donc important que les cellules soient exposées à un environnement dans lequel la concentration de solutés à l'extérieur des cellules (dans le liquide extracellulaire) est égale à la concentration de solutés à l'intérieur des cellules ( dans le cytoplasme). On dit que deux solutions qui ont la même concentration de solutés sont isotonique (tension égale). Lorsque les cellules et leurs environnements extracellulaires sont isotoniques, la concentration des molécules d'eau est la même à l'extérieur et à l'intérieur des cellules, et les cellules conservent leur forme (et leur fonction) normales. L'osmose se produit lorsqu'il y a un déséquilibre des solutés à l'extérieur d'une cellule par rapport à l'intérieur de la cellule. Une solution qui a une concentration plus élevée de solutés qu'une autre solution est dite hypertonique, et les molécules d'eau ont tendance à se diffuser dans une solution hypertonique (Figure 7). Les cellules dans une solution hypertonique se ratatinent lorsque l'eau quitte la cellule par osmose. En revanche, une solution qui a une concentration plus faible de solutés qu'une autre solution est dite hypotonique, et les molécules d'eau ont tendance à se diffuser hors d'une solution hypotonique. Les cellules d'une solution hypotonique absorberont trop d'eau et gonfleront, avec le risque d'éclater. Un aspect critique de l'homéostasie chez les êtres vivants est de créer un environnement interne dans lequel toutes les cellules du corps sont dans une solution isotonique. Divers systèmes organiques, en particulier les reins, travaillent pour maintenir cette homéostasie.

Figure 7. Concentration des solutions. Une solution hypertonique a une concentration en soluté plus élevée qu'une autre solution. Une solution isotonique a une concentration en soluté égale à une autre solution. Une solution hypotonique a une concentration en soluté inférieure à une autre solution.

Un autre mécanisme en plus de la diffusion pour transporter passivement les matériaux entre les compartiments est la filtration. Contrairement à la diffusion d'une substance d'où elle est plus concentrée à moins concentrée, la filtration utilise un gradient de pression hydrostatique qui pousse le fluide - et les solutés qu'il contient - d'une zone de pression plus élevée vers une zone de pression plus basse. La filtration est un processus extrêmement important dans le corps. Par exemple, le système circulatoire utilise la filtration pour déplacer le plasma et les substances à travers la paroi endothéliale des capillaires et dans les tissus environnants, fournissant aux cellules les nutriments. La pression de filtration dans les reins fournit le mécanisme pour éliminer les déchets de la circulation sanguine.

Transport actif

Pour toutes les méthodes de transport décrites ci-dessus, la cellule ne dépense aucune énergie. Les protéines membranaires qui aident au transport passif de substances le font sans l'utilisation d'ATP. Pendant le transport actif, l'ATP est nécessaire pour déplacer une substance à travers une membrane, souvent à l'aide de transporteurs de protéines, et généralement contre son gradient de concentration. L'un des types de transport actif les plus courants implique des protéines qui servent de pompes. Le mot « pompe » évoque probablement l'utilisation de l'énergie pour gonfler le pneu d'un vélo ou d'un ballon de basket. De même, l'énergie de l'ATP est nécessaire pour que ces protéines membranaires transportent des substances - molécules ou ions - à travers la membrane, généralement contre leurs gradients de concentration (d'une zone de faible concentration à une zone de forte concentration). Les pompe sodium-potassium, qui est également appelée N + /K + ATPase, transporte le sodium hors d'une cellule tout en déplaçant le potassium dans la cellule. La pompe Na + /K + est une pompe ionique importante que l'on trouve dans les membranes de nombreux types de cellules. Ces pompes sont particulièrement abondantes dans les cellules nerveuses, qui pompent constamment des ions sodium et attirent des ions potassium pour maintenir un gradient électrique à travers leurs membranes cellulaires. Un gradient électrique est une différence de charge électrique à travers un espace. Dans le cas des cellules nerveuses par exemple, le gradient électrique existe entre l'intérieur et l'extérieur de la cellule, l'intérieur étant chargé négativement (environ -70 mV) par rapport à l'extérieur. Le gradient électrique négatif est maintenu car chaque pompe Na + /K + déplace trois ions Na + hors de la cellule et deux ions K + dans la cellule pour chaque molécule d'ATP utilisée (Figure 8). Ce processus est si important pour les cellules nerveuses qu'il représente la majorité de leur utilisation d'ATP.

Figure 8. Pompe à sodium-potassium. La pompe sodium-potassium se trouve dans de nombreuses membranes cellulaires (plasma). Alimentée par l'ATP, la pompe déplace les ions sodium et potassium dans des directions opposées, chacun contre son gradient de concentration. Dans un seul cycle de la pompe, trois ions sodium sont extrudés et deux ions potassium sont importés dans la cellule.

D'autres formes de transport actif n'impliquent pas de supports membranaires. Endocytose (apporter « dans la cellule ») est le processus par lequel une cellule ingère du matériel en l'enveloppant dans une partie de sa membrane cellulaire, puis en pinçant cette partie de la membrane (Figure 9). Une fois pincée, la portion de membrane et son contenu deviennent une vésicule intracellulaire indépendante. UNE vésicule est un sac membraneux, un organite sphérique et creux délimité par une membrane lipidique bicouche. L'endocytose amène souvent des matériaux dans la cellule qui doivent être décomposés ou digérés. Phagocytose ("cell manger") est l'endocytose de grosses particules. De nombreuses cellules immunitaires s'engagent dans la phagocytose des agents pathogènes envahisseurs. Comme les petits Pac-men, leur travail consiste à patrouiller les tissus corporels à la recherche de matières indésirables, telles que les cellules bactériennes envahissantes, les phagocyter et les digérer. Contrairement à la phagocytose, pinocytose (« boisson cellulaire ») amène un liquide contenant des substances dissoutes dans une cellule à travers des vésicules membranaires.

Figure 9. Trois formes d'endocytose. L'endocytose est une forme de transport actif dans laquelle une cellule enveloppe des matériaux extracellulaires à l'aide de sa membrane cellulaire. (a) Dans la phagocytose, qui est relativement non sélective, la cellule absorbe une grosse particule. (b) Dans la pinocytose, la cellule absorbe de petites particules dans le liquide. (c) En revanche, l'endocytose médiée par les récepteurs est assez sélective. Lorsque des récepteurs externes se lient à un ligand spécifique, la cellule répond en endocytose le ligand.

Figure 10. Exocytose. L'exocytose ressemble beaucoup à l'endocytose inversée. Le matériel destiné à l'exportation est conditionné dans une vésicule à l'intérieur de la cellule. La membrane de la vésicule fusionne avec la membrane cellulaire et le contenu est libéré dans l'espace extracellulaire.

La phagocytose et la pinocytose absorbent de grandes portions de matériel extracellulaire, et elles ne sont généralement pas très sélectives dans les substances qu'elles apportent. Les cellules régulent l'endocytose de substances spécifiques via une endocytose médiée par des récepteurs. L'endocytose médiée par le récepteur est l'endocytose par une partie de la membrane cellulaire qui contient de nombreux récepteurs spécifiques d'une certaine substance. Une fois que les récepteurs de surface ont lié des quantités suffisantes de la substance spécifique (le ligand du récepteur), la cellule endocytose la partie de la membrane cellulaire contenant les complexes récepteur-ligand. Le fer, un composant nécessaire de l'hémoglobine, est ainsi endocytosé par les globules rouges. Le fer est lié à une protéine appelée transferrine dans le sang. Des récepteurs spécifiques de la transferrine à la surface des globules rouges se lient aux molécules fer-transferrine et la cellule endocytose les complexes récepteur-ligand. Contrairement à l'endocytose, exocytose (sortir de la cellule) est le processus d'exportation d'un matériau cellulaire par transport vésiculaire (Figure 10).

De nombreuses cellules fabriquent des substances qui doivent être sécrétées, comme une usine fabriquant un produit destiné à l'exportation. Ces substances sont généralement emballées dans des vésicules liées à la membrane à l'intérieur de la cellule. Lorsque la membrane vésiculaire fusionne avec la membrane cellulaire, la vésicule libère son contenu dans le liquide interstitiel. La membrane vésiculaire devient alors une partie de la membrane cellulaire. Les cellules de l'estomac et du pancréas produisent et sécrètent des enzymes digestives par exocytose (Figure 11). Les cellules endocrines produisent et sécrètent des hormones qui sont envoyées dans tout le corps, et certaines cellules immunitaires produisent et sécrètent de grandes quantités d'histamine, une substance chimique importante pour les réponses immunitaires.

Figure 11. Cellules pancréatiques & Produits enzymatiques. Les cellules acineuses pancréatiques produisent et sécrètent de nombreuses enzymes qui digèrent les aliments. Les minuscules granules noirs de cette micrographie électronique sont des vésicules de sécrétion remplies d'enzymes qui seront exportées des cellules par exocytose. LM × 2900. (Micrographie fournie par les Regents of University of Michigan Medical School © 2012)

Maladies de la cellule : fibrose kystique

La mucoviscidose (FK) affecte environ 30 000 personnes aux États-Unis, avec environ 1 000 nouveaux cas signalés chaque année. La maladie génétique est surtout connue pour ses dommages aux poumons, provoquant des difficultés respiratoires et des infections pulmonaires chroniques, mais elle affecte également le foie, le pancréas et les intestins. Il y a environ 50 ans seulement, le pronostic des enfants nés avec la mucoviscidose était très sombre, une espérance de vie dépassant rarement 10 ans. Aujourd'hui, grâce aux progrès des traitements médicaux, de nombreux patients atteints de mucoviscidose vivent dans la trentaine.

Les symptômes de la mucoviscidose résultent d'un dysfonctionnement du canal ionique membranaire appelé régulateur de conductance transmembranaire de la mucoviscidose, ou CFTR. Chez les personnes en bonne santé, la protéine CFTR est une protéine membranaire intégrale qui transporte les ions Cl – hors de la cellule. Chez une personne atteinte de mucoviscidose, le gène du CFTR est muté, ainsi, la cellule fabrique une protéine de canal défectueuse qui n'est généralement pas incorporée dans la membrane, mais est plutôt dégradée par la cellule. Le CFTR a besoin d'ATP pour fonctionner, faisant de son transport Cl - une forme de transport actif. Cette caractéristique a longtemps intrigué les chercheurs car les ions Cl- circulent en fait vers le bas leur gradient de concentration lorsqu'ils sont transportés hors des cellules. Le transport actif pompe généralement des ions contre leur gradient de concentration, mais le CFTR fait exception à cette règle. Dans le tissu pulmonaire normal, le mouvement de Cl – hors de la cellule maintient un environnement riche en Cl – chargé négativement immédiatement à l'extérieur de la cellule. Ceci est particulièrement important dans la paroi épithéliale du système respiratoire.

Les cellules épithéliales respiratoires sécrètent du mucus, qui sert à piéger la poussière, les bactéries et autres débris. Un cil (pluriel = cils) est l'un des appendices ressemblant à des cheveux trouvés sur certaines cellules. Les cils sur les cellules épithéliales déplacent le mucus et ses particules piégées dans les voies respiratoires loin des poumons et vers l'extérieur. Afin d'être efficacement déplacé vers le haut, le mucus ne peut pas être trop visqueux mais doit avoir une consistance fine et aqueuse. Le transport de Cl – et le maintien d'un environnement électronégatif à l'extérieur de la cellule attirent des ions positifs tels que Na + vers l'espace extracellulaire. L'accumulation des ions Cl - et Na + dans l'espace extracellulaire crée un mucus riche en soluté, qui a une faible concentration de molécules d'eau. En conséquence, par osmose, l'eau se déplace des cellules et de la matrice extracellulaire dans le mucus, le « éclaircissant ». C'est ainsi que, dans un système respiratoire normal, le mucus est maintenu suffisamment dilué pour être propulsé hors du système respiratoire.

Si le canal CFTR est absent, les ions Cl - ne sont pas transportés hors de la cellule en nombre suffisant, les empêchant ainsi d'attirer des ions positifs. L'absence d'ions dans le mucus sécrété entraîne l'absence d'un gradient normal de concentration en eau. Ainsi, il n'y a pas de pression osmotique tirant l'eau dans le mucus. Le mucus résultant est épais et collant, et l'épithélium cilié ne peut pas l'éliminer efficacement du système respiratoire. Les voies de passage dans les poumons sont obstruées par le mucus, ainsi que par les débris qu'il transporte. Les infections bactériennes surviennent plus facilement parce que les cellules bactériennes ne sont pas efficacement évacuées des poumons.


Osmorégulation

L'osmorégulation est le processus de maintien de l'équilibre du sel et de l'eau (équilibre osmotique) à travers les membranes du corps. Les fluides à l'intérieur et autour des cellules sont composés d'eau, d'électrolytes et de non-électrolytes. Un électrolyte est un composé qui se dissocie en ions lorsqu'il est dissous dans l'eau. Un non-électrolyte, en revanche, ne se dissocie pas en ions dans l'eau. Les fluides corporels comprennent le plasma sanguin, le liquide qui existe dans les cellules et le liquide interstitiel qui existe dans les espaces entre les cellules et les tissus du corps. Les membranes du corps (à la fois les membranes entourant les cellules et les « quomembranes » constituées de cellules tapissant les cavités corporelles) sont des membranes semi-perméables. Les membranes semi-perméables sont perméables à certains types de solutés et à l'eau, mais typiquement les membranes cellulaires sont imperméables aux solutés.

Le corps n'existe pas isolément. Il y a un apport constant d'eau et d'électrolytes dans le système. L'excès d'eau, les électrolytes et les déchets sont transportés vers les reins et excrétés, aidant à maintenir l'équilibre osmotique. Un apport hydrique insuffisant entraîne une conservation des fluides par les reins. Les systèmes biologiques interagissent et échangent constamment de l'eau et des nutriments avec l'environnement par le biais de la consommation de nourriture et d'eau et par l'excrétion sous forme de sueur, d'urine et de matières fécales. Sans mécanisme pour réguler la pression osmotique, ou lorsqu'une maladie endommage ce mécanisme, il y a une tendance à accumuler des déchets toxiques et de l'eau, ce qui peut avoir des conséquences désastreuses.

Les systèmes de mammifères ont évolué pour réguler non seulement la pression osmotique globale à travers les membranes, mais aussi des concentrations spécifiques d'électrolytes importants dans les trois principaux compartiments liquides : plasma sanguin, liquide interstitiel et liquide intracellulaire. Étant donné que la pression osmotique est régulée par le mouvement de l'eau à travers les membranes, le volume des compartiments fluides peut également changer temporairement. Étant donné que le plasma sanguin est l'un des composants du fluide, les pressions osmotiques ont une incidence directe sur la pression artérielle.

Système excréteur

Le système excréteur humain fonctionne pour éliminer les déchets du corps par la peau sous forme de sueur, les poumons sous forme de dioxyde de carbone expiré et par le système urinaire sous forme d'urine. Ces trois systèmes participent à l'osmorégulation et à l'élimination des déchets. Ici, nous nous concentrons sur le système urinaire, qui comprend les reins appariés, l'uretère, la vessie et l'urètre (Figure 4.1). Les reins sont une paire de structures en forme de haricot qui sont situées juste en dessous du foie dans la cavité corporelle. Chacun des reins contient plus d'un million de minuscules unités appelées néphrons qui filtrent le sang contenant les déchets métaboliques des cellules. Tout le sang du corps humain est filtré environ 60 fois par jour par les reins. Les néphrons éliminent les déchets, les concentrent et forment de l'urine qui est collectée dans la vessie.

À l'intérieur, le rein a trois régions et le cortex externe, une médullaire au milieu et le bassin rénal, qui est l'extrémité élargie de l'uretère. Le cortex rénal contient les néphrons, l'unité fonctionnelle du rein. Le bassinet rénal recueille l'urine et mène à l'uretère à l'extérieur du rein. Les uretères sont des tubes urinaires qui sortent du rein et se jettent dans la vessie.

Graphique 4.1. Le système excréteur humain est composé des reins, de l'uretère, de la vessie et de l'urètre. Les reins filtrent le sang et forment l'urine, qui est stockée dans la vessie jusqu'à ce qu'elle soit éliminée par l'urètre. Sur la droite, la structure interne du rein est montrée. (crédit : modification d'œuvre par NCI, NIH)

Le sang pénètre dans chaque rein par l'aorte, l'artère principale alimentant le corps sous le cœur, par une artère rénale. Il est distribué dans des vaisseaux plus petits jusqu'à ce qu'il atteigne chaque néphron dans les capillaires. Dans le néphron, le sang entre en contact intime avec les tubules collecteurs de déchets dans une structure appelée glomérule. L'eau et de nombreux solutés présents dans le sang, y compris les ions de sodium, de calcium, de magnésium et autres, ainsi que les déchets et les substances précieuses telles que les acides aminés, le glucose et les vitamines, quittent le sang et pénètrent dans le système tubulaire du néphron. Au fur et à mesure que les matériaux traversent le tubule, une grande partie de l'eau, les ions nécessaires et les composés utiles sont réabsorbés dans les capillaires qui entourent les tubules, laissant les déchets derrière eux. Une partie de cette réabsorption nécessite un transport actif et consomme de l'ATP. Certains déchets, y compris les ions et certains médicaments restant dans le sang, diffusent des capillaires dans le liquide interstitiel et sont absorbés par les cellules tubulaires. Ces déchets sont ensuite activement sécrétés dans les tubules. Le sang s'accumule ensuite dans des vaisseaux de plus en plus gros et quitte le rein dans la veine rénale. La veine rénale rejoint la veine cave inférieure, la veine principale qui renvoie le sang vers le cœur depuis le bas du corps. Les quantités d'eau et d'ions réabsorbés dans le système circulatoire sont soigneusement régulées et c'est un moyen important pour le corps de réguler sa teneur en eau et ses niveaux d'ions. Les déchets sont collectés dans des tubules plus gros puis quittent le rein dans l'uretère, ce qui conduit à la vessie où l'urine, la combinaison de déchets et d'eau, est stockée.

La vessie contient des nerfs sensoriels, des récepteurs d'étirement qui signalent quand elle doit être vidée. Ces signaux créent l'envie d'uriner, qui peut être volontairement supprimée jusqu'à une certaine limite. La décision consciente d'uriner met en jeu des signaux qui ouvrent les sphincters, anneaux de muscles lisses qui ferment l'ouverture, vers l'urètre qui permet à l'urine de s'écouler hors de la vessie et du corps.

L'osmose est la diffusion de l'eau à travers une membrane en réponse à pression osmotique causé par un déséquilibre des molécules de part et d'autre de la membrane. Osmorégulation est le processus de maintien de l'équilibre du sel et de l'eau ( équilibre osmotique) à travers les membranes dans les fluides corporels, qui sont composés d'eau, ainsi que d'électrolytes et de non-électrolytes. Un électrolyte est un soluté qui se dissocie en ions lorsqu'il est dissous dans l'eau. UNE non électrolyte, en revanche, ne se dissocie pas en ions lors de la dissolution de l'eau. Les électrolytes et les non-électrolytes contribuent à l'équilibre osmotique. Les fluides corporels comprennent le plasma sanguin, le cytosol dans les cellules et le liquide interstitiel, le liquide qui existe dans les espaces entre les cellules et les tissus du corps. Les membranes du corps (telles que les membranes pleurale, séreuse et cellulaire) sont membranes semi-perméables. Les membranes semi-perméables sont perméables (ou permissives) à certains types de solutés et d'eau. Les solutions des deux côtés d'une membrane semi-perméable ont tendance à s'égaliser en concentration de soluté par le mouvement des solutés et/ou de l'eau à travers la membrane. Comme le montre la figure 4.2, une cellule placée dans l'eau a tendance à gonfler en raison du gain d'eau provenant de l'environnement hypotonique ou "à faible teneur en sel". Une cellule placée dans une solution avec une concentration en sel plus élevée, d'autre part, a tendance à faire se ratatiner la membrane en raison de la perte d'eau dans l'environnement hypertonique ou "à forte teneur en sel". Les cellules isotoniques ont une concentration égale de solutés à l'intérieur et à l'extérieur de la cellule, ce qui égalise la pression osmotique de chaque côté de la membrane cellulaire qui est une membrane semi-perméable.

Graphique 4.2. Les cellules placées dans un environnement hypertonique ont tendance à rétrécir en raison de la perte d'eau. Dans un environnement hypotonique, les cellules ont tendance à gonfler en raison de l'apport d'eau. Le sang maintient un environnement isotonique afin que les cellules ne rétrécissent ni ne gonflent. (crédit : Mariana Ruiz Villareal)

Le corps n'existe pas isolément. Il y a un apport constant d'eau et d'électrolytes dans le système. Alors que l'osmorégulation est réalisée à travers les membranes du corps, les excès d'électrolytes et de déchets sont transportés vers les reins et excrétés, aidant à maintenir l'équilibre osmotique.

Besoin d'osmorégulation

Les systèmes biologiques interagissent et échangent constamment de l'eau et des nutriments avec l'environnement par le biais de la consommation de nourriture et d'eau et par l'excrétion sous forme de sueur, d'urine et de matières fécales. Sans mécanisme de régulation de la pression osmotique, ou lorsqu'une maladie endommage ce mécanisme, il y a une tendance à accumuler des déchets toxiques et de l'eau, ce qui peut avoir des conséquences désastreuses.

Les systèmes de mammifères ont évolué pour réguler non seulement la pression osmotique globale à travers les membranes, mais également des concentrations spécifiques d'électrolytes importants dans les trois principaux compartiments liquides : plasma sanguin, liquide extracellulaire et liquide intracellulaire. Étant donné que la pression osmotique est régulée par le mouvement de l'eau à travers les membranes, le volume des compartiments fluides peut également changer temporairement. Étant donné que le plasma sanguin est l'un des composants du fluide, les pressions osmotiques ont une incidence directe sur la pression artérielle.

Transport des électrolytes à travers les membranes cellulaires

Les électrolytes, tels que le chlorure de sodium, s'ionisent dans l'eau, ce qui signifie qu'ils se dissocient en leurs ions composants. Dans l'eau, le chlorure de sodium (NaCl) se dissocie en ion sodium (Na+) et en ion chlorure (Cl&ndash). Les ions les plus importants, dont les concentrations sont très étroitement régulées dans les fluides corporels, sont les cations sodium (Na+), potassium (K+), calcium (Ca+2),
magnésium (Mg+2) et les anions chlorure (Cl&ndash), carbonate (CO3-2), bicarbonate (HCO3&ndash) et phosphate (PO3&ndash). Les électrolytes sont perdus du corps pendant la miction et la transpiration. Pour cette raison, les athlètes sont encouragés à remplacer les électrolytes et les fluides pendant les périodes d'activité et de transpiration accrues.

La pression osmotique est influencée par la concentration de solutés dans une solution. Il est directement proportionnel à
le nombre d'atomes ou de molécules de soluté et ne dépend pas de la taille des molécules de soluté. Étant donné que les électrolytes se dissocient en leurs ions composants, ils ajoutent essentiellement plus de particules de soluté dans la solution et ont un effet plus important sur la pression osmotique, par masse, que les composés qui ne se dissocient pas dans l'eau, tels que le glucose.

L'eau peut traverser les membranes par diffusion passive. Si les ions électrolytes pouvaient diffuser passivement à travers les membranes, il serait impossible de maintenir des concentrations spécifiques d'ions dans chaque compartiment de fluide, par conséquent, ils nécessitent des mécanismes spéciaux pour traverser les membranes semi-perméables dans le corps. Ce mouvement peut être accompli par une diffusion facilitée et un transport actif. La diffusion facilitée nécessite des canaux à base de protéines pour déplacer le soluté. Le transport actif nécessite de l'énergie sous forme de conversion d'ATP, de protéines porteuses ou de pompes afin de déplacer les ions contre le gradient de concentration.

Notion d'osmolalité et de milliéquivalent

Afin de calculer la pression osmotique, il est nécessaire de comprendre comment les concentrations de soluté sont mesurées. L'unité de mesure des solutés est la Môle. Une mole est définie comme le poids moléculaire en gramme du soluté. Par exemple, le poids moléculaire du chlorure de sodium est de 58,44. Ainsi, une mole de chlorure de sodium pèse 58,44 grammes. Les molarité d'une solution est le nombre de moles de soluté par litre de solution. Les molalité d'une solution est le nombre de moles de soluté par kilogramme de solvant. Si le solvant est de l'eau, un kilogramme d'eau équivaut à un litre d'eau. Alors que la molarité et la molalité sont utilisées pour exprimer la concentration des solutions, les concentrations d'électrolytes sont généralement exprimées en termes de milliéquivalents par litre (mEq/L) : le mEq/L est égal à la concentration en ions (en millimoles) multipliée par le nombre de charges sur l'ion. L'unité de milliéquivalent prend en considération les ions présents dans la solution (puisque les électrolytes forment des ions dans les solutions aqueuses) et la charge sur les ions.

Ainsi, pour les ions qui ont une charge de un, un milliéquivalent est égal à une millimole. Pour les ions qui ont une charge de deux (comme le calcium), un milliéquivalent est égal à 0,5 millimole. Une autre unité pour l'expression de la concentration d'électrolyte est la milliosmole (mOsm), qui est le nombre de milliéquivalents de soluté par kilogramme de solvant. Les fluides corporels sont généralement maintenus dans la plage de 280 à 300 mOsm.

Osmorégulateurs et osmoconformateurs

Les personnes perdues en mer sans eau douce à boire courent un risque de déshydratation sévère car le corps humain ne peut pas s'adapter à la consommation d'eau de mer, qui est hypertonique par rapport aux fluides corporels. Les organismes tels que les poissons rouges qui ne peuvent tolérer qu'une plage de salinité relativement étroite sont appelés sténohaline. Environ 90 pour cent de tous les poissons osseux sont confinés à l'eau douce ou à l'eau de mer. Ils sont incapables de régulation osmotique dans l'environnement opposé. Il est cependant possible que quelques poissons comme le saumon passent une partie de leur vie en eau douce et une partie en eau de mer. Les organismes comme le saumon et le molly qui peuvent tolérer une gamme relativement large de salinité sont appelés organismes euryhalines. Ceci est possible car certains poissons ont évolué osmorégulateur mécanismes pour survivre dans toutes sortes de milieux aquatiques. Lorsqu'ils vivent en eau douce, leur corps a tendance à absorber de l'eau car l'environnement est relativement hypotonique, comme l'illustre la figure 4.3a. Dans de tels environnements hypotoniques, ces poissons ne boivent pas beaucoup d'eau. Au lieu de cela, ils laissent passer beaucoup d'urine très diluée et atteignent un équilibre électrolytique par le transport actif de sels à travers les branchies. Lorsqu'ils se déplacent vers un environnement marin hypertonique, ces poissons commencent à boire de l'eau de mer dont ils excrètent les sels en excès par leurs branchies et leur urine, comme illustré à la figure 4.3b. La plupart des invertébrés marins, par contre, peuvent être isotoniques avec l'eau de mer (osmoconformateurs). Leurs concentrations de fluides corporels sont conformes aux changements de concentration de l'eau de mer. La composition en sel des poissons cartilagineux du sang est similaire à celle des poissons osseux, cependant, le sang des requins contient les composés organiques urée et oxyde de triméthylamine (TMAO). Cela ne signifie pas que leur composition électrolytique est similaire à celle de l'eau de mer. Ils atteignent l'isotonie avec la mer en stockant de grandes concentrations d'urée. Ces animaux qui sécrètent de l'urée sont appelés animaux uréotéliques. Le TMAO stabilise les protéines en présence de niveaux élevés d'urée, empêchant la rupture des liaisons peptidiques qui se produiraient chez d'autres animaux exposés à des niveaux similaires d'urée. Les requins sont des poissons cartilagineux avec une glande rectale pour sécréter du sel et aider à l'osmorégulation.

Graphique 4.3. Les poissons sont des osmorégulateurs, mais doivent utiliser différents mécanismes pour survivre dans (a) des environnements d'eau douce ou (b) d'eau salée. (crédit : modification d'œuvre par Duane Raver, NOAA)


Des gradients ioniques et un potentiel électrique sont maintenus à travers la membrane plasmique

La composition ionique spécifique du cytosol diffère généralement considérablement de celle du fluide environnant. Dans pratiquement toutes les cellules, y compris les cellules microbiennes, végétales et animales, le pH cytosolique est maintenu à près de 7,2 et la concentration cytosolique de K + est beaucoup plus élevée que celle de Na +. De plus, aussi bien chez les invertébrés que chez les vertébrés, la concentration de K+ est 20 ––� fois plus élevée dans les cellules que dans le sang, tandis que la concentration de Na+ est 8 ––� fois plus faible dans les cellules que dans le sang (tableau 15-1). La concentration de Ca 2+ libre dans le cytosol est généralement inférieure à 0,2 micromolaire (2 ×� 𢄧 M), mille fois ou plus inférieure à celle du sang. Les cellules végétales et de nombreux micro-organismes maintiennent des concentrations cytosoliques tout aussi élevées de K + et de faibles concentrations de Ca 2+ et de Na + même si les cellules sont cultivées dans des solutions salines très diluées. Les pompes ioniques pilotées par l'ATP qui génèrent et maintiennent ces gradients ioniques sont discutées plus loin.

Tableau 15-1

Concentrations ioniques typiques chez les invertébrés et les vertébrés.

En plus des pompes à ions, qui transportent les ions contre leurs gradients de concentration, la membrane plasmique contient des protéines de canal qui permettent aux principaux ions cellulaires (Na + , K + , Ca 2+ et Cl − ) de la traverser à différentes vitesses leurs gradients de concentration. Les gradients de concentration ionique et les mouvements sélectifs des ions à travers les canaux créent une différence de tension à travers la membrane plasmique. L'amplitude de ce potentiel électrique est de � millivolts (mV), l'intérieur de la cellule étant toujours négatif par rapport à l'extérieur. Cette valeur ne semble pas beaucoup jusqu'à ce que nous réalisions que la membrane plasmique n'a qu'environ 3,5 nm d'épaisseur. Ainsi, le gradient de tension à travers la membrane plasmique est de 0,07 V par 3,5 ×� 𢄧 cm, soit 200 000 volts par centimètre ! (Pour comprendre ce que cela signifie, considérez que les lignes de transmission à haute tension pour l'électricité utilisent des gradients d'environ 200 000 volts par kilomètre !) Comme expliqué ci-dessous, la membrane plasmique, comme toutes les membranes biologiques, agit comme un condensateur — un dispositif constitué d'une fine feuille de matériau non conducteur (l'intérieur hydrophobe) entouré des deux côtés par un matériau électriquement conducteur (les groupes de tête polaire et les ions dans le milieu aqueux environnant) — qui peut stocker des charges positives d'un côté et des charges négatives de l'autre.

Les gradients ioniques et le potentiel électrique à travers la membrane plasmique entraînent de nombreux processus biologiques. L'ouverture et la fermeture des canaux Na + , K + et Ca 2+ sont essentielles à la conduction d'une impulsion électrique dans l'axone d'une cellule nerveuse (Chapitre 21). Dans de nombreuses cellules animales, le gradient de concentration de Na + et le potentiel électrique membranaire alimentent l'absorption d'acides aminés et d'autres molécules contre leur gradient de concentration, ce transport est catalysé par des protéines symport et antiport liées aux ions. Dans la plupart des cellules, une augmentation de la concentration cytosolique de Ca 2+ est un signal régulateur important, initiant la contraction des cellules musculaires et déclenchant la sécrétion d'enzymes digestives dans les cellules pancréatiques exocrines.

Nous discutons ici du rôle des canaux ioniques dans la génération du potentiel électrique membranaire. Plus tard, nous examinons les pompes ioniques alimentées par l'ATP qui génèrent des gradients de concentration ionique et les protéines de cotransport liées aux ions.


Transport d'électrolytes à travers les membranes cellulaires

Une cuillère à café de sel de table se dissout facilement dans l'eau. La solubilité du chlorure de sodium résulte de sa capacité à s'ioniser dans l'eau. Le sel et d'autres composés qui se dissocient en leurs ions composants sont appelés électrolytes. Dans l'eau, le chlorure de sodium (NaCl) se dissocie en ion sodium (Na + ) et en ion chlorure (Cl – ). Les ions les plus importants, dont les concentrations sont très étroitement régulées dans les fluides corporels, sont les cations sodium (Na+), potassium (K+), calcium (Ca+2) et magnésium (Mg+2) et les anions chlorure (Cl-) , carbonate (CO3-2), bicarbonate (HCO3-) et phosphate (PO3-). Les électrolytes sont perdus du corps pendant la miction et la transpiration. Pour cette raison, les athlètes sont encouragés à remplacer les électrolytes et les fluides pendant les périodes d'activité et de transpiration accrues.

La pression osmotique est influencée par la concentration de solutés dans une solution. Il est directement proportionnel au nombre d'atomes ou de molécules de soluté et ne dépend pas de la taille des molécules de soluté. Parce que les électrolytes se dissocient en ions, ajoutant relativement plus de molécules de soluté à une solution, ils exercent une plus grande pression osmotique par unité de masse que les non-électrolytes tels que le glucose.

L'eau traverse des membranes semi-perméables par diffusion passive, se déplaçant le long d'un gradient de concentration et égalisant la concentration de chaque côté de la membrane. Les ions électrolytes peuvent ne pas être capables de diffuser passivement à travers une membrane, mais peuvent nécessiter à la place des mécanismes spéciaux pour traverser la membrane semi-perméable. Les mécanismes qui transportent les ions à travers les membranes sont la diffusion facilitée et le transport actif. La diffusion facilitée des solutés se produit à travers des canaux à base de protéines. Le transport actif nécessite de l'énergie sous forme de conversion d'ATP, de protéines porteuses ou de pompes afin de déplacer les ions contre le gradient de concentration.


41.1B : Transport d'électrolytes à travers les membranes cellulaires - Biologie

L'intestin grêle doit absorber des quantités massives d'eau. Une personne normale ou un animal de taille similaire absorbe environ 1 à 2 litres de liquide alimentaire chaque jour. En plus de cela, 6 à 7 litres supplémentaires de liquide sont reçus quotidiennement par l'intestin grêle sous forme de sécrétions provenant des glandes salivaires, de l'estomac, du pancréas, du foie et de l'intestin grêle lui-même.

Au moment où l'ingesta pénètre dans le gros intestin, environ 80 % de ce liquide a été absorbé. Le mouvement net de l'eau à travers les membranes cellulaires se produit toujours par osmose, et le concept fondamental nécessaire pour comprendre l'absorption dans l'intestin grêle est qu'il existe un couplage étroit entre l'absorption d'eau et de soluté. Une autre façon de dire cela est que l'absorption d'eau dépend absolument de l'absorption de solutés, en particulier de sodium :

  • Le sodium est absorbé à partir de la lumière intestinale par plusieurs mécanismes, principalement par cotransport avec le glucose et les acides aminés, et par échange Na+/H+, qui tous deux déplacent le sodium de la lumière vers l'entérocyte.
  • Absorbed sodium is rapidly exported from the cell via sodium pumps - when a lot of sodium is entering the cell, a lot of sodium is pumped out of the cell, which establishes a high osmolarity in the small intercellular spaces between adjacent enterocytes.
  • Water diffuses in response to the osmotic gradient established by sodium - in this case into the intercellular space. It seems that the bulk of the water absorption is transcellular, but some also diffuses through the tight junctions.
  • Water, as well as sodium, then diffuses into capillary blood within the villus.

As sodium is rapidly pumped out of the cell, it achieves very high concentration in the narrow space between enterocytes. A potent osmotic gradient is thus formed across apical cell membranes and their connecting junctional complexes that osmotically drives movement of water across the epithelium.

Water is thus absorbed into the intercellular space by diffusion down an osmotic gradient. However, looking at the process as a whole, transport of water from lumen to blood is often against an osmotic gradient - this is important because it means that the intestine can absorb water into blood even when the osmolarity in the lumen is higher than osmolarity of blood.

Absorption in the Small Intestine

Absorption of Monosaccharides


What Do Electrolytes Do, How Much Do You Need, and Where Do You Find Them?

Sodium

Main functions in the body: Along with potassium, regulates the fluid volume in cells, interstitial fluid, and blood plasma. Needed for muscle contraction and generating nerve impulses.

Dietary sources: Most sodium in our diet comes from the salt we add to food. Much smaller amounts naturally occur in foods like beets, carrots, celery, and dairy products, and in drinking water. Someone eating a typical modern diet gets the bulk of their sodium from processed, packaged foods.

Recommended intake: In recent decades, doctors and the folks behind our governmental dietary standards have told us to limit sodium intake, mostly in the name of heart health. However, experts are increasingly challenging that advice. Multiple studies point to a greater risk of negative health outcomes with too little sodium 1 2 3 Many believe that the current recommended daily intake of 1,500 mg per day for adults is woefully inadequate.

Instead, the sweet spot seems to be between 4 and 6 grams per day. That’s about 2 teaspoons of fine sea salt like Redmond Real Salt or a heaping tablespoon of kosher salt. (Remember, the salt we eat is not pure sodium, it’s sodium plus chloride—NaCl.) However, individuals with salt-sensitive hypertension or kidney disease will want to consult their doctors, as these populations probably do need to restrict sodium.

Potassium

Main functions in the body: Along with sodium, potassium regulates fluid volume and allows for muscle contraction and nerve impulses. Regulates heartbeat.

Dietary sources: Fruits et légumes. Bananas have become synonymous with potassium, but a medium potato actually contains twice as much potassium as a medium banana. Avocado is a better source as well. If your diet includes a variety of vegetables and perhaps some fruit, you are probably getting enough potassium.

Recommended intake: Adequate intake (AI) is 2,600 mg per day for adult females and 3,400 mg per day for males. The FDA’s recommended daily intake (RDI) is 4,700 mg per day.

While sodium gets most of the attention when it comes to heart health, potassium is at least as essential, if not more so. People with higher (but not excessive) potassium intake have lower blood pressure, less risk for cardiovascular disease, 4 and lower all-cause mortality. 5

Research also suggests that the relative amounts of sodium and potassium you eat—the sodium:potassium ratio—is as important as the absolute amounts of each. You want to avoid high levels of sodium with low potassium. On the other hand, increasing potassium intake seems to offset the supposed dangers of higher levels of sodium intake (within reason). 6 7 8

Chlorure

Main functions in the body: Maintaining fluid balance, which is vital for regulating blood pressure and pH of body fluids. Also a primary component of gastric juice in the form of hydrochloric acid.

Dietary sources: Mostly from added salt—sodium chloride and, to a lesser extent, potassium chloride. Seaweed and many vegetables also contain some chloride. You can also get chloride through the skin if you use a magnesium spray, which is usually magnesium chloride.

Recommended intake: 2.3 grams per day for adults up to 50, 2.0 grams per day up to age 70, 1.8 grams per day thereafter.

Calcium

Main functions in the body: In addition to structural roles (bones and teeth), calcium helps muscles contract and nerves fire. Calcium also has a role in blood clotting.

Dietary sources: Leafy greens, broccoli, nuts and seeds, fish like sardines and anchovies where you eat the bones. Dairy products, if you consume them, are good sources as well despite any controversy about bioavailability.

Recommended intake: For adult females, 1,000 mg per day up to age 50, 1,200 mg per day thereafter. For males, 1,000 mg per day up to age 70, 1,200 mg per day thereafter.

Phosphate

Main functions in the body: Like calcium, most phosphate is stored in bones and teeth, acting as a mineral reserve. The rest is used by cells for energy production and in cell membranes and DNA.

Dietary sources: Derived from phosphorous, which is found most abundantly in animal products—meat, dairy, eggs.

Recommended intake: 700 mg per day for all adults

Bicarbonate

Main functions in the body: Crucial for maintaining extracellular acid-base balance. Moves carbon dioxide through the bloodstream.

Dietary sources: We get bicarbonate from baking soda (sodium bicarbonate), but the body also produces bicarbonate endogenously (on its own), so it’s not necessary to target it in the diet.

Recommended intake: Has not been established

Magnésium

Main functions in the body: Magnesium is involved in over 300 enzymatic reactions, including ones that allow nerves to fire and muscles to contract. Maintains regular heartbeat.

Dietary sources: Leafy greens, dark chocolate, nuts and seeds, fish, avocado

Recommended intake: For adult females, 310 mg per day up to age 30, then increases to 320 per day. For males, 400 mg per day up to age 30, increasing to 420 mg per day.

Natural Electrolyte Supplements

When people talk about supplementing electrolytes, they generally mean sodium, potassium, and magnesium. For the average healthy person, you can meet your electrolyte needs by eating a varied diet rich in different vegetables, perhaps some fruit, and animal products, especially fish.

However, you may need to supplement if you eat a restricted diet or have certain health conditions such as gastrointestinal issues that interfere with your ability to absorb nutrients, or kidney or liver disease. Because supplements can interact with medications, talk to your doctor before starting any kind of supplement regimen.

Obviously, if you get an electrolyte panel done by your doctor, and it shows a deficiency, that’s another good reason to supplement. Likewise, if you’ve had a bout of vomiting or diarrhea, or if you’re having issues such as brain fog or muscle cramping. Don’t go overboard it is certainly possible to have too much of any electrolyte. Drinking some salty bone broth or trying a standard dose of a potassium or magnesium supplement should be safe.

I should note, though, that dietary deficiencies in potassium are uncommon. It’s never a bad idea to track your food for a few days using an app like Cronometer. See how much you’re getting from diet so you can tailor your supplementing appropriately. It’s probably much more likely that you’re getting less sodium than you need if you’re eating mostly close-to-nature foods, especially if you’re hewing to conventional wisdom about restricting salt.

What Are the Best Forms of Electrolytes?

For sodium, all you need is good old salt. Different forms of salt contain varying amounts of sodium, so look at the label.

For potassium, I like potassium citrate. You can also use LoSalt or Nu-Salt, which contain potassium chloride. They are found with the table salt at your local grocery store. Some folks make their own electrolyte blend with cream of tartar (yes, the same stuff you bake with), which is potassium bitartrate. Any of these will work, but I think potassium citrate is the superior option.

For magnesium, the most bioavailable are the chelated forms that end in -ate. Different forms of magnesium are thought to have specific benefits, but magnesium malate or glycinate (also called bis-glycinate) are good all-around options. Magnesium L-threonate is particularly touted for cognitive benefits because it crosses the blood-brain barrier.

Is Potassium Supplementation Safe?

Because potassium is closely linked to heart function, there is a concern that supplementing potassium could lead to arrhythmias or even heart attacks. However, a 2016 meta-analysis of randomized controlled trials found no risk associated with supplementing within normal guidelines in healthy individuals. 9 People with heart or kidney problems should definitely talk to their doctors, though.

Although I think supplementing potassium is generally safe, it’s also reasonably easy to meet your potassium requirements through diet alone. Potassium supplements are limited to 100 mg per dose by the FDA anyway, which is a fraction of what you need.

Considerations for Keto Folks

If you’re following a keto diet, you probably do need to supplement. When you drop your carbs low enough for the liver to start making ketones, this also triggers a (normal) hormonal response that leads the kidneys to dump water. Along with water goes sodium and potassium especially. This can lead to low blood pressure, and it’s the reason why some people feel so crappy when they first go keto—-the dreaded “keto flu.”

If you’re eating a keto diet and your workouts are suffering, or you have low energy, headaches, or brain fog, low sodium and/or potassium is the likely culprit. Some people find that they need to supplement when transitioning into keto but not once they are keto-adapted. Others feel better if they continue supplementing.

In particular, many keto folks feel better when they increase their sodium considerably—3 to 5 grams above what they get from food, or perhaps even more.

Considerations for Athletes

Electrolytes, especially sodium and chloride, are lost through sweat, so many athletes use electrolyte supplements as a part of their training nutrition. This probably isn’t crucial for the average person working up a sweat at the gym. For hard-charging endurance athletes pounding away for hours, especially in intense heat, it might be the difference between making it to the finish line or not.

If you’re taking in a lot of water during a training session, it’s a good idea to add a pinch of salt, and perhaps a bit of carbohydrate, to your water. For one thing, this increases absorption. Drinking too much water without adequately replacing sodium losses can also lead to the dangerous, even fatal, condition of hyponatremia. 10 I’m not a huge fan of most commercial electrolyte drinks due to their high sugar content, but it’s easy to make your own using one of the many online recipes. You can also use salt pills. It might take some tinkering to dial in the amount you need.

Some athletes also take sodium bicarbonate supplements in an attempt to offset exercise-induced acidosis. (Recall that bicarbonate helps maintain acid-base homeostasis.) Research shows that doses of 200 to 500 mg/kg may reduce lactate concentration and improve aerobic exercise performance and hand-eye coordination. 11 Doses at the higher end of the spectrum seem to be more effective, but they can also cause undesirable gastrointestinal symptoms. If you experiment with this, make sure to take into account both the sodium and the bicarbonate you are adding and, if necessary, adjust your additional sodium supplementation accordingly.


Voir la vidéo: Membrane cellulaire et action des médicaments - partie 1 (Décembre 2022).