Membrane et échanges : études de cas de la vie courante et erreurs fréquentes

La membrane plasmique est une bicouche de lipides garnie de protéines qui trie ce qui entre et sort : certaines substances la traversent seules en suivant leur gradient, l'eau se déplace par osmose, et d'autres sont pompées contre leur gradient grâce à l'énergie de l'ATP ; ces règles expliquent le poisson salé, le sérum des perfusions ou les sels de réhydratation.

Objectifs

Décrire la structure de la membrane plasmique et ses composés majeurs.
Distinguer diffusion simple, diffusion facilitée, osmose et transport actif selon le sens du gradient, le besoin d'une protéine et le besoin d'énergie.
Appliquer ces mécanismes à des situations de la vie courante.
Corriger les erreurs de raisonnement les plus fréquentes sur l'osmose et le transport actif.

Notions clés 1 : une frontière fluide et sélective

Selon le modèle de la mosaïque fluide, la membrane plasmique est formée :

d'une bicouche de phospholipides : chaque phospholipide a une tête hydrophile (attirée par l'eau), tournée vers l'extérieur ou vers le cytoplasme, et deux queues hydrophobes (qui fuient l'eau), cachées au centre de la bicouche ;
de protéines insérées dans la bicouche ou posées dessus : canaux, transporteurs, pompes, récepteurs ;
de glucides fixés sur la face externe, qui servent à la reconnaissance entre cellules ;
chez les cellules animales, de cholestérol, qui règle la fluidité.

Les molécules de la membrane se déplacent latéralement : la membrane est fluide. Son centre hydrophobe laisse passer facilement les petites molécules non chargées, comme \(\ce{O2}\) et \(\ce{CO2}\), mais arrête les ions et les grosses molécules polaires, qui ont besoin de protéines pour traverser.

Diffusion simple : le dioxygène, petit et non chargé, traverse directement la bicouche, du côté où il est le plus concentré vers celui où il l'est le moins. Aucune énergie n'est dépensée.

Diffusion facilitée : un ion ou une molécule polaire (glucose) passe par une protéine canal ou transporteur, toujours dans le sens de son gradient et sans ATP.

Osmose : l'eau traverse la membrane, en grande partie par des canaux à eau (aquaporines), vers le milieu le plus concentré en solutés.

Transport actif : la pompe sodium-potassium fait sortir des ions sodium et entrer des ions potassium contre leurs gradients, en consommant de l'ATP.

Mécanisme	Sens	Protéine ?	Énergie (ATP) ?	Exemples
Diffusion simple	Du plus concentré vers le moins concentré	Non	Non	\(\ce{O2}\), \(\ce{CO2}\)
Diffusion facilitée	Du plus concentré vers le moins concentré	Oui (canal ou transporteur)	Non	Glucose, ions \(\ce{K+}\) par un canal
Osmose	L'eau va vers le milieu le plus concentré en solutés	Souvent (aquaporines)	Non	Eau
Transport actif	Contre le gradient	Oui (pompe)	Oui	Pompe \(\ce{Na+}\)/\(\ce{K+}\)

Quel mécanisme consomme de l'ATP ?

La diffusion facilitée du glucose
Le fonctionnement de la pompe sodium-potassium
L'osmose

Seul le transport actif déplace une substance contre son gradient, ce qui demande de l'énergie. La diffusion, même facilitée par une protéine, et l'osmose n'en consomment pas.

Études de cas de la vie courante

Cas 1 : le poisson salé-séché de Joal

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Le sel crée autour des cellules un milieu très hypertonique.

Par osmose, l'eau sort des cellules du poisson et aussi des bactéries et moisissures qui s'y posent.

Déshydratés, les microbes ne peuvent plus se multiplier : le poisson est conservé. Le même principe explique la conservation des fruits dans beaucoup de sucre (confitures).

Cas 2 : le sérum de la perfusion

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Le sérum physiologique est isotonique au plasma : les globules rouges ne gagnent ni ne perdent d'eau.

L'eau pure est hypotonique : l'eau entrerait massivement dans les globules rouges par osmose.

N'ayant pas de paroi, les globules rouges gonfleraient jusqu'à éclater : c'est l'hémolyse, dangereuse. Dans un milieu hypertonique, à l'inverse, ils se ratatineraient.

Cas 3 : les sels de réhydratation orale

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Dans l'intestin, des protéines de la membrane des cellules font entrer ensemble le sodium et le glucose (un cotransport).

Ces solutés s'accumulent dans les cellules puis dans le sang : le milieu intérieur devient plus concentré.

L'eau suit par osmose et passe de l'intestin vers le sang : l'enfant se réhydrate. C'est la base des SRO recommandés par l'Organisation mondiale de la santé ; il faut toujours les préparer avec la quantité d'eau indiquée sur le sachet.

Cas 4 : l'oignon rouge dans deux bains

On place un fragment d'épiderme d'oignon rouge (cellules à vacuole colorée) dans de l'eau très salée, puis dans de l'eau distillée. Prévois ce que l'on voit au microscope.

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Eau très salée (hypertonique) : l'eau sort de la vacuole, qui rétrécit et devient plus foncée ; la membrane se décolle de la paroi. C'est la plasmolyse.

Eau distillée (hypotonique) : l'eau rentre, la vacuole regonfle et presse la membrane contre la paroi. C'est la turgescence.

La cellule végétale n'éclate pas, car sa paroi rigide résiste à la pression : c'est la grande différence avec le globule rouge.

Cas 5 : la rizière gagnée par l'eau salée

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L'eau du sol, salée, devient plus concentrée en solutés que les cellules des racines.

Par osmose, l'eau n'entre plus dans les racines ; elle peut même en sortir.

Les cellules perdent leur turgescence : la plante fane, comme si elle manquait d'eau.

On met des globules rouges dans de l'eau pure. Que se passe-t-il ?

Ils gonflent et éclatent
Ils se ratatinent
Rien, car l'eau ne traverse pas la membrane

L'eau pure est hypotonique : l'eau entre par osmose, et sans paroi le globule rouge finit par éclater (hémolyse).

Exercices progressifs sur le transport actif

La pompe sodium-potassium fait sortir 3 ions \(\ce{Na+}\) et entrer 2 ions \(\ce{K+}\) pour chaque molécule d'ATP utilisée.

Exercice 1 (facile). Combien d'ions \(\ce{K+}\) entrent quand 12 ions \(\ce{Na+}\) sortent ?

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Nombre de cycles : \(\frac{12}{3} = 4\).

Ions potassium entrés : \(4 \times 2 = 8\).

Exercice 2 (moyen). Une cellule fait sortir 300 ions \(\ce{Na+}\). Combien de molécules d'ATP a-t-elle utilisées, et combien de charges positives a-t-elle perdues au total ?

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ATP utilisés : \(\frac{300}{3} = 100\).

Ions \(\ce{K+}\) entrés : \(100 \times 2 = 200\).

Bilan des charges : 300 charges positives sortent et 200 entrent, soit une perte nette de \(300 - 200 = 100\) charges positives. C'est une des raisons pour lesquelles l'intérieur de la cellule est chargé négativement par rapport à l'extérieur.

Exercice 3 (défi). On bloque la production d'ATP d'une cellule. Que deviennent, au fil du temps, les concentrations de \(\ce{Na+}\) et de \(\ce{K+}\) dans son cytoplasme ?

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Sans ATP, la pompe s'arrête : plus aucun ion n'est déplacé contre son gradient.

La diffusion, elle, continue : le sodium, plus concentré dehors, entre peu à peu ; le potassium, plus concentré dedans, sort peu à peu.

Conclusion : la concentration de \(\ce{Na+}\) augmente dans le cytoplasme et celle de \(\ce{K+}\) diminue, jusqu'à ce que les différences disparaissent. Le transport actif est donc indispensable pour maintenir ces différences.

Pour 50 molécules d'ATP utilisées par la pompe, combien d'ions sodium sortent ?

Chaque ATP fait sortir 3 ions sodium : \(50 \times 3 = 150\).

Erreurs fréquentes

Une cellule végétale est placée dans un milieu hypertonique. L'eau :

entre dans la cellule
sort de la cellule
ne bouge pas grâce à la paroi

Le milieu extérieur est plus concentré en solutés : l'eau sort par osmose, la vacuole rétrécit et la cellule se plasmolyse.

Récapitulatif

Membrane plasmique : bicouche de phospholipides, protéines, glucides en surface et cholestérol chez les animaux ; elle est fluide et sélective.
Diffusion simple et facilitée : dans le sens du gradient, sans ATP ; la facilitée utilise une protéine.
Osmose : l'eau va vers le milieu le plus concentré en solutés ; plasmolyse en milieu hypertonique, turgescence ou hémolyse en milieu hypotonique.
Transport actif : contre le gradient, avec ATP ; la pompe \(\ce{Na+}\)/\(\ce{K+}\) échange 3 \(\ce{Na+}\) sortants contre 2 \(\ce{K+}\) entrants par ATP.
Applications : conservation par le sel ou le sucre, sérum physiologique isotonique, sels de réhydratation orale, plantes qui fanent dans un sol salé.

Mosaïque fluide

Modèle de la membrane : bicouche de phospholipides mobile, garnie de protéines.

Osmose

Passage de l'eau à travers une membrane vers le milieu le plus concentré en solutés.

Milieu hypertonique

Plus concentré que la cellule : la cellule perd de l'eau.

Diffusion facilitée

Passage par une protéine, dans le sens du gradient, sans ATP.

Pompe sodium-potassium

Transport actif : 3 Na⁺ sortent, 2 K⁺ entrent, 1 ATP consommé.

Plasmolyse

Cellule végétale qui perd son eau : vacuole rétrécie, membrane décollée de la paroi.