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Les échanges cellulaires - 1er s

Classe:

Première

Thème:

1 Organisation de la cellule

I. Échanges d'eau

A. Mise en évidence

1) Chez la cellule végétale

On plonge des cellules d'épiderme de bulbe d'oignon dans $3$ tubes numérotés de $1$ à $3$ contenants respectivement une solution de $NaCl$ à $5\% o$, à $9\% o$ et à $12 \% o.$

Le contenu des tubes et de l'aspect des cellules sont résumés dans le tableau ci-dessous.

2) Chez la cellule animale

On introduit dans $3$ tubes une solution de globules rouges de moutons de concentration différents.

$-\ $ $6\,ml$ d'eau distillé (tube1)

$-\ $ $6\,ml$ d'eau distillé $+\ NaCl$ a $0.9\% o$ $($Tube $2)$

$-\ $ $6\,ml$ d'eau distillé $+$ $NaCl$ a $1.5\% o$ $($Tube $3)$

L'aspect des cellules est résumé dans le tableau ci-dessous.

Activité

Décrire puis interprète les résultats de ces expériences.

Réponses

$\bullet\ $ A faible concentration $(5\% o$ ou $0\% o)$ l'eau passe à travers la membrane cytoplasmique du milieu le moins concentré (milieu hypotonique) vers le milieu le plus concentré (milieu hypertonique).

La vacuole et les hématies se trouvent remplie d'eau. La cellule se gonfle et exerce une pression sur la paroi. Une telle cellule est dite turgescente.

$\bullet\ $ A $0\% o$ (cellule végétale) ou $09\% o$ (cellule animale) le milieu intracellulaire (cytoplasme) et le milieu extracellulaire $($solution de $NaCl)$ ont la même concentration.

Ainsi la quantité d'eau qui pénètre dans la vacuole est égale à celle qui en sort. Le cytoplasme des cellules apparait moyen comprimé contre la membrane cytoplasmique.

$\bullet\ $ A $12\% o$ ou à $1.5\% o$, la concentration extracellulaire est supérieureà celle de la vacuole et des hématies : il y a alors diffusion d'eau vers l'extérieur.

L'eau diffuse du milieu intracellulaire (cytoplasme) vers le milieu extracellulaire $($solution de $NaCl).$

La vacuole a perdu beaucoup d'eau ; ce qui diminue son volume et provoque la déformation de la membrane plasmique (ce sont des cellules plasmolyses).

Pour le cas des hématies, la couleur de la solution devient rose ou rouge.

B. Interprétation

1) Expérience de DUTROCHET

L'entonnoir de DUTROCHET est un entonnoir dont la grande ouverture est fermée par une membrane de cellophane ou des vessies de parc.

Dans un cristallisoir contenant de l'eau distillée ; on plonge l'extrémité élargie de l'entonnoir de DUTROCHET et qui contient une solution de cuivre $\left(CuSO_{4}\right).$

$H$, $h'$, $h''$ sont les différents niveaux de l'eau du cristallisoir.

$A$, $b$, et $c$ sont les différents niveaux de la solution de sulfate de cuivre dans l'entonnoir.

Activité

Sachant que le niveau initial de la solution de sulfate de cuivre était $a\ A$ et celui de l'eau du cristallisoir $a\ h.$

Explique les dénivellements de l'eau de la solution de cuivre.

Réponse

$-\ $ On note une montée du niveau de la solution de cuivre de $A$ à $B$ puis son retour et sa stabilisation en $C.$

$-\ $ Parallèlement le niveau de l'eau du cristallisoir diminue de $h$ a $h'$ puis a $h''.$

La membrane de cellophane laisse passer les molécules d'eau et de cuivre : c'est une membrane perméable.

Si elle laisse passer seulement l'eau on dit que c'est une membrane semi-perméable ou hémiperméable.

2) Le passage de l'eau du cristalisoir vers l'entonnoir

S'explique par le fait que la solution d'eau est moyen concentrée que la solution de cuivre.

Un tel passage s'explique par le phénomène de l'osmose.

On appel osmose le passage de l’eau du milieu le moyen concentré dit hypotonique vers le milieu le plus concentré dit hypertonique.

Le passage de $CuSO_{4}$ est appelé dialyse.

On appel dialyse le passage de soluté (ions) du milieu hypertonique vers le milieu hypotonique.

3) Expérience de PFEIFFER : la notion de pression osmotique.

L'osmomètre est un tube adapté à une porcelaine poreuse dont les pores sont bouchés par un précipité de Ferrocyanure de cuivre.

L'expérience consiste à remplir l'osmomètre avec de l'eau sucrée puis à le plonger dans le cristallisoir contenant de l'eau distillée.

Quelques minutes après le niveau de la solution de soude sucré monte de $a$ à $b$ et s'y stabilise.

Le niveau de l'eau pure dans le cristallisoir baisse de $h$ à $h'$ et s'y stabilise.

Activité

Comment expliquer la montée de la solution sucrée et sa stabilisation en $b$ ?

Interprétation

La solution sucrée monte à cause d'une entrée d'eau distillée dans l'osmomètre.

En effet les molécules de sucre attirent les molécules d'eau vers l'osmomètre.

Une telle force d'attraction est appelée : pression osmotique.

Elle est de la concentration en masse du corps dissout, de son ionisation, de sa masse molaire et de sa température.

$$Po=R\times Cm/M\times T=RCT$$

$R=$ constance des gaz parfaites$=0.082$

$T=$ température$=t^{\circ}C+273$

$Cm=$ concentration massique

$C=$ concentration molaire.

4) Cas des cellules animales et végétales

$-\ $ La turgescence des cellules animales et végétales dans le tube $1$ est due à une entrée d'eau.

En effet la solution du tube $($solution de $NaCl)$ étant hypotonique par rapport au cytoplasme des cellules, l'eau quitte le tube pour pénétrer dans la cellule c'est le phénomène de l'osmose.

$-\ $ La plasmolyse des cellules animales et végétales $($tube $3)$ est due à une sortie d'eau de la cellule.

En effet la solution de $NaCl$ des tubes devient hypertonique par a rapport à celle du cytoplasme des cellules.

Ainsi par osmose, l'eau quitte la cellule et pénètre dans la solution.

II. Échange de substances dissoutes

Activité

Exploiter les expériences suivantes et expliquer les notions de perméabilités sélectives, transport passif, la perméabilité orientée, la dialyse, la perméabilité différentielle et le transport actif.

Expérience 1

On dispose d'un fragment d'épiderme d'oignon dans une solution de rouge neutre.

Au bout de quelques minutes, les vacuoles de ces cellules se colorent en rouge.

Ces mêmes cellules (aux vacuoles rouges) replacées dans de l'eau distillée demeurent toujours colorées tandis que l'eau distillée reste incolore.

Expérience 2

On place des cellules de spirogyres (algue verte, formé d'une simple file de cellules allongées. Ordre des zygnématales) dans une solution contenant du saccharose et des ions $K^{+}.$

Au bout de quelques minutes les cellules sont plasmolysées puis deviennent turgescentes.

L'analyse chimique du contenu de ces cellules montre exclusivement la présence d'ions $K^{+}.$

Quelle explication pouvez-vous donner à ces résultats ?

Expérience 3

On plonge un fragment d'épiderme de chou dans une goutte d'acétate d'ammonium $4\%.$

On constate que la membrane plasmique se décolle de la paroi pectocellulosique, le cytoplasme change de couleur et retrouve son volume initial.

Expérience 4

Dans les hématies, il y a beaucoup d'ions $K^{+}$ et peut d'ions $Na^{+}$ alors que c'est l'inverse dans le plasma.

Ces différences de concentration étant permanentes, il y a donc accumulation ionique qui s'oppose à la diffusion.

Ainsi pour comprendre le mécanisme du transport actif, on place des globules rouges dans du plasma avec glucose a $37^{\circ}C$ et d'autre part les hématies sont placées dans du plasma sans glucose.

Les résultats sont consignés dans les tableaux ci-dessous.

$$\begin{array}{|c|c|c|} \hline \boxed{\text{concentration}}&Na^{+}&K^{+}\\ \text{Milieu}& &\\ \hline \text{Hématies}&12\,mmol/l&155\,mmol/l\\ \hline \text{Plasma}&145\,mmol/l&5\,mmol/l\\ \hline \end{array}$$

Plasma avec glucose

$$\begin{array}{|c|c|c|} \hline \boxed{\text{concentration}}&Na^{+}&K^{+}\\ \text{Milieu}& &\\ \hline \text{Hématies}&78.5\,mmol/l&80\,mmol/l\\ \hline \text{Plasma}&78.5\,mmol/l&80\,mmol/l\\ \hline \end{array}$$

Plasma sans glucose

1) Comparer les résultats du tableau du plasma avec glucose et du plasma sans glucose.

2) Proposer une explication

Résultats

Expérience 1 :

Les vacuoles des cellules sont colorées en rouge car il y a entrée de la solution rouge neutre dans la cellule.

Lorsque ces mêmes cellules sont placées dans l'eau distillée, cette dernière n'est pas devenue rouge et la vacuole des cellules n'a pas perdu sa couleur rouge.

Ainsi le rouge neutre peut pénétrer dans la vacuole mais est incapable d'y sortir.

Ce phénomène est appelé perméabilité orientée en une sens unique.

Expérience 2 :

La plasmolyse et la turgescence des cellules sont dues à une entrée d'ions $K^{+}$ dans les cellules.

Les ions $K^{+}$ traversent la membrane des cellules mais les molécules de saccharose ne traversent pas : il s'agit d'une perméabilité sélective.

Expérience 3 :

Les cellules se plasmolyses car la solution d'acétate d'ammonium est hypertonique par rapport à celle de la cellule.

Ainsi l'eau sort de la cellule d'où une plasmolyse cellulaire.

La turgescente ultérieure est due à une entrée d'acétate d'ammonium dans la cellule, rendant ainsi son milieu hypertonique.

Ainsi l'eau quitte la solution pour entrer dans la cellule.

Il y a entrée d'abord d'eau puis la solution d'acétate d'ammonium.

Ainsi la membrane est plus perméable à l'eau qu'à la solution : C'est la perméabilité différencille.

Le passage de l'eau de la solution vers la cellule est le fait de la différence de concentration entre la solution hypertonique et le cytoplasme cellulaire hypotonique.

Un tel transport se fait suivant le gradient de concentration (moyen concentré vers plus concentré) est une diffusion simple ou transport passif.

Les molécules d'acétates d'ammonium pénètrent dans la cellule contre le gradient de concentration : c'est la dialyse et le transport actif car nécessite de l'énergie.