Les échanges cellulaires - 1e L
Classe:
Première
Introduction
Pour survivre et se reproduire, la cellule, qu'elle soit animale ou végétale, entretient des échanges avec le milieu extracellulaire.
La cellule peut échanger de l’eau, des substances dissoutes ou des particules avec son milieu.
Comment se font les échanges d'eau à travers la cellule ?
Comment se font les échanges de substances dissoutes à travers la cellule ?
Comment se font les échanges de particules à travers la cellule ?
I. Les échanges d'eau
1. Cas d'une cellule végétale
$$\begin{array}{|l|l|l|l|l|l|l|} \hline \text{concentration}&\text{Eau pure}&\text{Eau de robinet}&10&20&30&40\\ \hline \text{Taille des fragments}&58\,mm&55\,mm&50\,mm&48\,mm&45\,mm&42\,mm\\ \text{de pomme de terre}&&&&&&\\ \hline \end{array}$$
$-\ $Analyse du tableau
L'analyse du tableau nous montre que dans l'eau pure et dans l'eau de robinet, les fragments de pomme de terre ont augmenté de tailles.
Dans la solution de saccharose $10\%$, les fragments ont gardé leurs tailles initiales.
Dans les solutions de saccharose $20$, $30$ et $40\%$, les fragments ont diminué de tailles.
$-\ $Interprétation des résultats du tableau
Dans l'eau pure et dans l'eau de robinet, l'augmentation de la taille des fragments est due à leur absorption d'eau.
Dans la solution de $10\%$ il n'y a ni absorption ni sortie d'eau c'est pourquoi il n'y a pas de variation de taille des fragments.
Par contre dans les $3$ solutions dernières $(20$, $30$ et $40\%)$, la diminution de taille s'explique par une perte d'eau des fragments.
$-\ $Analyse et interprétation du document 2
Dans le document 2a, il y a une sortie d'eau qui est à l'origine de la diminution de taille des vacuoles et du décollement de la membrane de la paroi : c'est la plasmolyse.
Dans le document 2b, la vacuole garde une taille normale et il y a un léger décollement de la membrane car il n'y a ni entrée ni sortie d'eau.
Par contre dans le document 2c, il y a une entrée d'eau entrainant une augmentation de la taille de la vacuole et la membrane est repoussée contre la paroi : la cellule est en état de turgescence.
La plasmolyse est donc l'état de la cellule suite à une perte d'eau. La turgescence par contre, est l'état de la cellule suite à une absorption d'eau.
2. Cas d'une cellule animale
Expérience 1 :
On met dans $3$ tubes à essai les solutions suivantes :
$-\ $tube 1 : eau distillée (eau pure)
$-\ $tube 2 : solution de chlorure de sodium $(NaCl)$ à $8\,g/\text{litre}$
$-\ $tube 3 : solution de chlorure de sodium $(NaCl)$ à $100\,g/\text{litre}$
Versons dans chaque tube quelques gouttes de sang défibriné de mouton puis agitons le mélange et laissons reposer.
Résultats :
$-\ $Analyse des résultats de l'expérience 1
Dans le tube $1$ où il y a de l'eau pure, on voit des fragments d'hématies (il y a donc éclatement).
Dans le tube $2$ contenants du $NaCl$ à $8\,g/L$, les hématies ont une forme normale.
Dans le tube 3 content du $NaCl$ à $100g/L$, les hématies ont une forme étoilée (crénelée).
$-\ $Interprétation des résultats de l'expérience 1
Dans le tube $1$, l'éclatement des hématies également appelé hémolyse, est dû à une forte absorption d'eau.
Dans le tube $2$, les hématies ont une forme normale car il n'y a ni entrée ni sortie d'eau.
Dans le tube $3$, la forme crénelée des hématies s'explique par une perte d'eau (plasmolyse).
$-\ $Conclusion :
Ces mouvements d'eau à travers la membrane de la cellule portent le nom d'osmose.
N.B :
La cellule végétale peut absorber de l'eau sans éclater car elle est protégée par la paroi pectocellulosique contrairement à la cellule animale qui n'en dispose pas.
II. Les échanges de substances dissoutes
Expérience 2 :
Des cellules d'épiderme de bulbe d'oignon sont plongées dans une solution de rouge neutre.
Quelques temps après on les observe au microscope.
Résultat :
Les vacuoles des cellules sont colorées en rouge.
$-\ $Interprétation des résultats de l'expérience 2 et du texte
Dans l'expérience 2 et dans le texte, la coloration rouge des vacuoles et celle bleue du cytoplasme sont dues respectivement à la pénétration du rouge neutre et de l'acétate d'ammonium à l'intérieur de la cellule.
Des cellules plasmolysées et placées dans de l'eau distillée, reprennent leur forme normale : c'est la déplasmolyse provoquée.
$-\ $Conclusion :
Ce passage de substances dissoutes (solutés) de petite taille à travers la membrane de la cellule est appelée dialyse.
Les molécules de grandes tailles comme les protéines, les lipides ne peuvent pas dialyser.
Remarque :
La dialyse se fait à travers une membrane hémiperméable.
Une membrane est dite semi-perméable lorsqu'elle ne laisse passer que de l'eau.
Par contre une membrane hémiperméable laisse l'eau et les molécules de petites tailles telles que les ions.
Expérience 3
Dans un cristallisoir contenant de l'eau distillée, on plonge l'extrémité élargie d'un entonnoir fermée par une membrane de cellophane (pellicule transparente fabriquée à partir d'un hydrate de cellulose).
L'entonnoir contient une solution de sulfate de cuivre (bleue).(Voir schéma suivant).
Résultats
On observe une montée du niveau de la solution de $CuSO_{4}$ de a à b ; puis son retour et sa stabilisation à c.
Le niveau de l'eau pure dans le cristallisoir varie de h à h' ; puis revient à h dans le même temps.
Sa coloration devient bleue.
$-\ $Interprétation des résultats de l'expérience 3
Les variations de niveau des liquides s'expliquent par les mouvements des molécules d'eau pure et des molécules de $CuSO_{4}$ : l'eau va du cristallisoir vers l'entonnoir d'où le passage des niveaux a et b dans l'entonnoir et h à h' dans le cristallisoir ; les molécules de $CuSO_{4}$ vont de l'entonnoir vers le cristallisoir et les niveaux passent de b à c dans l'entonnoir et de h' à h'' dans le cristallisoir.
$-\ $Conclusion :
L'osmose est donc le passage de l'eau du milieu le moins concentré en soluté (milieu hypotonique) vers le milieu le plus concentré (milieu hypertonique) à travers une membrane semi-perméable.
Le mouvement d'eau s'arrête quand les deux milieux s'égalisent en concentrations : c'est l'isotonie.
Ce passage des molécules d'eau se fait sans consommation d'énergie : c'est un transport passif ou diffusion passive ou encore diffusion simple.
Un transport est donc dit passif s'il se fait suivant le gradient de concentration et sans consommation d'énergie.
La dialyse est le passage des solutés de petites tailles à travers une membrane hémiperméable du milieu le plus concentré en solutés vers le milieu le moins concentré.
La dialyse peut également se faire par diffusion passive ou simple.
La diffusion est donc le passage de l'eau ou de solutés au travers de la membrane.
Les mouvements d'eau sont sous le contrôle d'une force appelée pression osmotique.
$-\ $La pression osmotique :
C'est la force qui fait circuler l'eau du milieu hypotonique vers le milieu hypertonique au travers d'une membrane semi-perméable.
Elle est calculée par la formule suivante :
$P=R.\ (C/M).T.i$
$R$ : Constante des gaz parfait
$C/M$ : Concentration molaire en $mol/L$ ou $osmoles/L$
$T$ : température en degré Kelvin
$i$ : coefficient d'ionisation ou de dissociation
A travers la formule on voit donc que la pression osmotique, dépend de la concentration de la substance en solution, puisque $T$ et $R$ sont des constantes.
Les ions $Na^{+}$ et $K^{+}$ sont inégalement répartis entre l'extérieur et l'intérieur de la cellule.
En effet le $K^{+}$ est beaucoup plus concentré à l'intérieur et le $Na^{+}$ plus concentré à l'extérieur de la cellule.
Des hématies sont placés dans du plasma avec glucose et dans du plasma sans glucose à $37^{\circ}C.$
Les résultats sont consignés dans le tableau ci-dessous.
$$\begin{array}{|l|c|c|} \hline \text{Milieu}\diagdown\text{Concentration}&Na^{+}&K^{+}\\ \hline \text{Hématies}&12\,mmol/l&155\,mmol/l\\ \hline \text{Plasma}&145\,mmol/l&5\,mmol/l\\ \hline \end{array}$$
Tableau 1 : Plasma avec glucose
$$\begin{array}{|l|c|c|} \hline \text{Milieu}\diagdown\text{Concentration}&Na^{+}&K^{+}\\ \hline \text{Hématies}&78.5\,mmol/l&80\,mmol/l\\ \hline \text{Plasma}&78.5\,mmol/l&80\,mmol/l\\ \hline \end{array}$$
Tableau 2 : Plasma sans glucose
Consigne
1. Observe et analyse les résultats pour chaque Tableau
2. Compare les deux Tableau
3. Propose une explication
$-\ $Analyse des tableaux 1 et 2
Dans le tableau 1 où il y a le glucose, on constate que les ions $Na^{+}$ sont plus concentrés dans le plasma que dans les hématies alors que les ions $k^{+}$ sont plus concentrés à l'intérieur des hématies que dans le plasma.
Dans le tableau 2, les concentrations des ions $Na^{+}$ et $K^{+}$ sont les mêmes dans le plasma que dans les hématies.
$-\ $Interprétation des résultats des tableaux 1 et 2
Naturellement les ions $Na^{+}$ sont plus nombreux à l'extérieur de la cellule et les ions $K^{+}$ sont plus nombreux à l'intérieur de la cellule (comme indiqué dans le tableau 1) : c'est leur gradient de concentration.
Dans le tableau 1, l'inégale répartition de ces ions est due à un mécanisme utilisant le glucose comme source d'énergie pour maintenir cette inégalité : c'est la pompe $Na^{+}/K^{+}.$
En absence de glucose les concentrations extra et intracellulaires des ions $Na^{+}$ et $K^{+}$ s'égalisent (voir tableau 2).
$-\ $Conclusion :
Un transport actif (diffusion active) est donc un transport qui se fait contre le gradient de concentration et nécessitant une consommation d'énergie.
III. Les échanges de particules
En plus de l'eau et des solutés, les cellules peuvent aussi échanger des particules selon deux modalités : l'endocytose et l'exocytose.
1. L'endocytose
C'est le processus par lequel les cellules ingèrent diverses substances présentes dans le milieu extérieur.
Si les particules ingérées sont solides, on parle de phagocytose et lorsqu'elles sont liquides, on parle de pinocytose.
La phagocytose s'effectue suivant les phases d'adhésion, d'ingestion, de digestion et d'expulsion.
2. L'exocytose
C'est le processus par lequel divers substances présentes à l'intérieur de la cellule sont expulsées à l'extérieur.
IV. Role de la membrane dans les échanges cellulaires
$$\begin{array}{|l|c|c|} \hline \text{Substance (en g/l)}&\text{Hématie}&\text{Plasma}\\ \hline \text{Eau}&950&950\\ \hline \text{Hémoglobine (protéine des hématies)}&400&0\\ \hline Na^{+}&40&220\\ \hline K^{+}&180&40\\ \hline \end{array}$$
$-\ $Analyse et interprétation du tableau 3
L'eau présente le même volume à l'intérieur et à l'extérieur des hématies.
Ceci s'explique par le fait que la membrane plasmique est librement perméable à l'eau dans les deux sens.
Les ions $Na^{+}$ et $K^{+}$ ont des concentrations différentes dans les deux compartiments, ce qui s'explique par la perméabilité différentielle de la membrane aux ions.
L'hémoglobine est présente dans les hématies et absente dans le plasmique.
Ceci s'explique par le fait que la membrane est imperméable à cette protéine.
$-\ $En conclusion :
Cette comparaison permet d'émettre l'hypothèse que la membrane est perméable.
Cette perméabilité varie selon les substances considérées : une telle perméabilité est qualifiée de sélective.
Conclusion
La cellule, animale comme végétale, pour remplir convenablement ses fonctions physiologiques (nutrition, reproduction, respiration, etc.), entretient des échanges d'eau, de déchets, de substances dissoutes et de particules avec son milieu de vie. Cependant la membrane de la cellule est perméable à certaines substances et imperméable à d'autres.
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