Objectifs

• Décrire la structure de la membrane plasmique selon le modèle de la mosaïque fluide.
• Citer ses composés majeurs et leur rôle : phospholipides, cholestérol, protéines, glucides.
• Distinguer diffusion simple, diffusion facilitée, osmose et transport actif.
• Prévoir le comportement d'une cellule placée dans une solution hypotonique, isotonique ou hypertonique.
• Relier les échanges membranaires à l'homéostasie cellulaire.

Notions clés

1. Structure de la membrane : une mosaïque fluide

La membrane plasmique entoure toute cellule et la sépare du milieu extérieur. Son épaisseur n'est que de quelques nanomètres : on ne voit sa structure qu'au microscope électronique. Selon le modèle de la mosaïque fluide (proposé par Singer et Nicolson en 1972), elle est formée de :

• une bicouche de phospholipides : chaque phospholipide a une tête hydrophile (qui aime l'eau), tournée vers l'extérieur ou vers le cytoplasme, et deux queues hydrophobes (qui fuient l'eau), cachées au centre de la bicouche ;
• du cholestérol (dans les cellules animales), glissé entre les phospholipides, qui règle la fluidité de la membrane ;
• des protéines, enchâssées dans la bicouche ou posées sur ses faces : canaux, transporteurs, pompes, récepteurs ;
• des glucides, fixés sur des lipides ou des protéines de la face externe, qui servent à la reconnaissance entre cellules.

« Mosaïque » parce que la membrane est faite de pièces différentes ; « fluide » parce que ses molécules se déplacent latéralement en permanence.

Place chaque nom sur le schéma de la membrane.

2. Les échanges passifs : sans dépense d'énergie

Un gradient de concentration est une différence de concentration d'une substance entre deux milieux. Dans un transport passif, la substance suit ce gradient, du milieu le plus concentré vers le milieu le moins concentré, sans que la cellule dépense d'énergie.

• Diffusion simple : la substance traverse directement la bicouche. C'est le cas des petites molécules non chargées, comme le dioxygène \( \ce{O2} \) et le dioxyde de carbone \( \ce{CO2} \). Exemple : dans les poumons, \( \ce{O2} \) passe de l'air des alvéoles, riche en dioxygène, vers le sang.
• Diffusion facilitée : la substance passe grâce à une protéine (canal ou transporteur), toujours dans le sens du gradient. C'est le cas du glucose et de nombreux ions, qui ne traversent pas la bicouche seuls.

3. L'osmose : le passage de l'eau

L'osmose est la diffusion de l'eau à travers une membrane semi-perméable, du milieu le moins concentré en solutés vers le milieu le plus concentré en solutés. L'eau traverse la bicouche et, surtout, passe par des canaux à eau, les aquaporines.

Pour les globules rouges humains, une solution de chlorure de sodium à \( 9\ \text{g/L} \) est isotonique : c'est le « sérum physiologique ».

4. Le transport actif : contre le courant, avec de l'énergie

Le transport actif fait passer une substance contre son gradient de concentration, grâce à une protéine appelée pompe, en consommant de l'énergie fournie par l'ATP (produit surtout par les mitochondries).

Exemple : la pompe sodium-potassium. Pour chaque molécule d'ATP utilisée, elle fait sortir 3 ions sodium \( \ce{Na+} \) et entrer 2 ions potassium \( \ce{K+} \). Elle maintient ainsi une concentration en \( \ce{K+} \) plus forte dans la cellule qu'à l'extérieur, et une concentration en \( \ce{Na+} \) plus faible.

Les grosses particules entrent ou sortent dans des vésicules, aussi avec dépense d'énergie : c'est l'endocytose (entrée) et l'exocytose (sortie).

flowchart TD
  A[Échanges à travers la membrane] --> B[Passifs sans énergie]
  A --> C[Actifs avec ATP]
  B --> D[Diffusion simple]
  B --> E[Diffusion facilitée]
  B --> F[Osmose de l eau]
  C --> G[Pompes]
  C --> H[Endocytose et exocytose]

5. Membrane et homéostasie

L'homéostasie est le maintien d'un milieu intérieur stable malgré les variations du milieu extérieur. Grâce à sa perméabilité sélective et à ses différents modes de transport, la membrane garde dans la cellule des concentrations en eau, en ions et en nutriments compatibles avec la vie : elle laisse entrer ce qui est utile (glucose, \( \ce{O2} \)), fait sortir les déchets (\( \ce{CO2} \)) et règle les ions.

Exemples résolus

Exemple 1 : des globules rouges dans trois solutions

On place des globules rouges humains dans trois solutions de chlorure de sodium : A à \( 5\ \text{g/L} \), B à \( 9\ \text{g/L} \) et C à \( 20\ \text{g/L} \). Prévois ce qui se passe dans chacune. Cherche d'abord.

Exemple 2 : quel mode de transport ?

Dans une cellule, la concentration en ions potassium est d'environ 30 fois celle du milieu extérieur. Pourtant, la cellule continue de faire entrer des ions potassium, et ce passage s'arrête si l'on bloque la production d'ATP. Quel est le mode de transport ?

Exemple 3 : le gombo dans l'eau

Seydou laisse des tranches de gombo un peu fanées dans de l'eau pure pendant une heure : elles redeviennent fermes. Explique.

Erreurs fréquentes

• Inverser le sens de l'osmose. L'eau va vers le milieu le plus concentré en solutés, et non l'inverse.
• Croire que la diffusion facilitée consomme de l'énergie. Elle utilise une protéine mais reste passive.
• Penser que la membrane est rigide et figée. Elle est fluide : ses molécules bougent sans cesse.
• Dire qu'une cellule végétale éclate dans l'eau pure. Sa paroi l'en empêche ; c'est le globule rouge, sans paroi, qui peut éclater.
• Confondre hypotonique et hypertonique. « Hypo » signifie moins concentré, « hyper » plus concentré que la cellule.

Récapitulatif

• Membrane plasmique : bicouche de phospholipides avec cholestérol, protéines et glucides, selon le modèle de la mosaïque fluide.
• Transports passifs, sans énergie, du plus concentré vers le moins concentré : diffusion simple, diffusion facilitée.
• Osmose : l'eau va du milieu le moins concentré en solutés vers le plus concentré.
• Transport actif : contre le gradient, grâce à des pompes et à l'ATP (pompe sodium-potassium).
• Ces échanges maintiennent l'homéostasie de la cellule.