LES ECHANGES CELLULAIRES

Les cellules sont soumises entre elles ou entre elles et le milieu externe à des échanges d’eau et de substances dissoutes.

I-LES ECHANGES D'EAU

1-Cas des cellules végétales

 Expérience :
Taillons dans une pomme de terre 5 cylindres de 50 mm de long et plongeons un dans chacune des cinq solutions suivantes :
– eau distillée (eau pure)
– solution de saccharose 10%
– solution de saccharose 20%
– solution de saccharose 30%
– solution de saccharose 40%.
Après 1 heure environ, mesurons les cylindres.
Résultats

Courbe de variation de la longueur des pommes de terre en fonction de la concentration en saccharose

Analyse
Les cylindres de pomme de terre plongés dans une solution de saccharose inférieure à 20% ont une longueur qui augmente, alors les cylindres de pomme de terre plongés dans une solution supérieure 20% ont une longueur qui diminue et les cylindres plongés dans une solution de 20% ont une longueur qui ne varie pas.

2-Cas des cellules animales

Expérience :
Mettons 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/litre
– tube 3 : solution de chlorure de sodium (NaCl) à 100 g/litre
Versons dans chaque tube quelques gouttes de sang défibriné de mouton puis agitons le mélange et laissons reposer.
Résultats

Analyse :
Les hématies ont disparus dans le tube 1 par éclatement (hémolyse), dans le tube 2 ils ont leur forme naturelle, alors que dans le tube 3 ils changent de forme et deviennent crénelés.

3-L’osmomètre

Pour comprendre le comportement des cellules lors des échanges d’eau, un dispositif expérimental est utilisé : l’osmomètre de Dutrochet et l’osmomètre de Pfeiffer.

3-1-Osmomètre de Dutrochet

Mode opératoire
– Prendre un tube à entonnoir en verre ;
– Fermer l’entonnoir à l’aide d’une membrane de cellophane ou d’une vessie de porc, qui sont des membranes semi-perméables c’est-à-dire qui ne laissent passer que l’eau ;
– Verser dans l’entonnoir renversé, une solution de CuSO4 à 2% (solution bleue) ;
– Plongeons l’entonnoir dans un cristallisoir (récipient en verre) contenant de l’eau distillée.

Résultats


Analyse
Quelques instant après ont constate une augmentation de la quantité de la solution bleue qui passe du niveau 1 au niveau 2 et une diminution de la quantité d’eau distillée. Donc l’eau distillée est passée dans l’entonnoir.

3-2-Osmomètre de Pfeiffer

Mode opératoire :
• Remplissez un flacon en porcelaine poreuse avec une solution de CuSO4
• Plongez le flacon dans une solution de ferrocyanure de potassium
• Il se forme du ferrocyanure de cuivre qui bouche les pores de porcelaine. Ce précipité laisse passer l’eau et non les molécules de substances dissoutes dans l’eau.
• On adapte un tube de verre au flacon.
• Et on verse de l’eau sucrée dans le flacon et de l’eau distillée dans le cristallisoir.

Résultat de l’expérience :


Analyse
On constate que :
– le niveau de la solution sucrée monte dans le tube jusqu’à un certain niveau et ne redescend pas ;
– on ne trouve pas de sucre dans le cristallisoir (réaction à la liqueur de Fehling avec du fructose) ;

4-Conclusion

L’augmentation du niveau de la solution de CuSO4 ou de sucre, est due à une entrée d’eau dans l’entonnoir ou le flacon. Ce déplacement d’eau de la solution la moins concentrée en soluté (solution hypotonique) vers la solution la plus concentrée (solution hypertonique) est un phénomène appelé : osmose.
Chez les cellules animale (hématie) et végétale (pomme de terre), lorsque la solution est hypotonique on a une élongation des cylindres de pomme de terre ou une hémolyse des hématies suite à une forte entrée d’eau.
Lorsque la solution est hypertonique on a un raccourcissement des cylindres ou une forme crénelée des hématies dû à une sortie d’eau.
Lorsque la longueur des cylindres ou la forme des hématies ne varie pas, cela veut dire que la concentration en soluté dans la solution et dans les cylindres de pomme de terre ou les hématies est égale et la quantité d’eau qui entre est égale à la quantité d’eau qui sort. Ces deux milieux sont isotoniques.

NB : Les cellules végétales n’éclatent pas car elles sont protégées par une paroi pectocellulosique rigide, alors que les cellules animales ne le sont pas.

5-Comparaison entre cellule et osmomètre

Le cytoplasme des cellules est délimité par une membrane plasmique à travers laquelle se réalisent les échanges cellulaires. Cette membrane remplace la vessie de porc ou la membrane de cellophane de l’osmomètre de Dutrochet.
Une cellule végétale placée dans une solution de saccharose peut présenter plusieurs aspects :
– Si la solution est hypotonique, la cellule absorbe de l’eau par osmose (A), sa membrane plasmique est repoussée vers la paroi, c’est l’état de turgescence.
– Si la solution est hypertonique, la cellule perd de l’eau par osmose (B et C), sa membrane se décolle de la paroi sauf au niveau des plasmodesmes et sa vacuole a une couleur plus foncée, c’est l’état de plasmolyse.
– Si la solution est isotonique, la cellule a une membrane qui se décolle légèrement par endroit de la paroi, les entrées et les sorties d’eau se font au même rythme, c’est l’état de début de plasmolyse.

II LES ECHANGES DE SUBSTANCES DISSOUTES

1-Echange suivant un gradient de concentration : transport passif ou diffusion

Mode opératoire
– Déposons sur une lame un fragment d’épiderme de chou rouge.
– Sur ce fragment, déposons une goutte d’acétate d’ammonium à 4% et recouvrons avec une lamelle, puis observons au microscope optique fort grossissement.

Résultats
– La membrane plasmique se décolle de la paroi, il y a donc plasmolyse.
– Ensuite le cytoplasme change de couleur (devient mauve ou bleu) et retrouve son volume initial, c’est la déplasmolyse.

Interprétation
– La cellule est plasmolysée, car la solution d’acétate d’ammonium (4%) est hypertonique et fait perdre de l’eau à la cellule.
– Le changement de couleur de la cellule montre que l’acétate d’ammonium est passé dans le cytoplasme. Il se déplace du milieu le plus concentré vers le milieu moins concentré, c’est la diffusion ou transport passif.
– L’entrée d’acétate d’ammonium rend le cytoplasme hypertonique par rapport à la solution d’acétate d’ammonium. Il se produit donc une entrée d’eau, d’où le retour à l’état de turgescence appelé : la déplasmolyse.

NB : Une membrane perméable laisse passer le solvant et le soluté, mais la perméabilité de la membrane plasmique est sélective, car elle peut laisser passer certaines molécules (de petite taille) tout en restant imperméable à d’autres (de grosse taille), c’est la dialyse.

2-Echange contre un gradient de concentration : transport actif

La répartition du Na+ et du K+ est faite de manière inégale dans toutes les cellules vivantes. En effet, le K+ est plus concentré à l’intérieur qu’à l’extérieur la cellule, alors que le Na+ est plus concentré à l’extérieur qu’à l’intérieur de la cellule.
Expérience
A 37°C on observe que le K+ entre dans la cellule, alors que le Na+ en sort. Ce phénomène s’arrête si on bloque l’activité des mitochondries (production d’énergie sous forme d’ATP).
Interprétation
Le Na+ et le K+ sont donc transportés à travers la membrane contre un gradient de concentration. Ce transport se fait à travers la pompe Na+/K+ qui nécessite de l’énergie (ATP), c’est donc un transport actif.

3-Calcul de pression osmotique

La pression osmotique est la force qui attire l’eau d’un milieu hypotonique vers un milieu hypertonique. Elle peut être calculée à partir de la formule mathématique suivante :

Л = PO = C/M. R. i. T = n. R. i. T (Atmosphère)

R = constante des gaz parfait (0,082)

i = coefficient d’ionisation ou coefficient de dissociation

C = concentration en g/l

M = masse molaire en g/mol

T = température en ° kelvin = 273 + Température en °Celsius.

n = concentration molaire (mole/l)

4-Les échanges de particules

La cellule échange des substances solides ou liquides avec le milieu extérieur par des modifications de sa membrane plasmique. Les modifications permettant l’entrée dans la cellule portent le nom général d’endocytose, lorsque ces substances sont solides, c’est la phagocytose et lorsqu’elles sont liquides, c’est la pinocytose. La phagocytose s’observe chez les macrophages suivant les étapes d’approche, de contact, de reconnaissance et d’enroulement.

La sortie de substances est appelée exocytose.

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