Diffusion cellulaire

Qu'est-ce que la diffusion dans une cellule ?

Mécanisme de diffusion

En principe, toutes les molécules auront tendance à atteindre l'équilibre de leur concentration à travers la membrane cellulaire, c'est-à-dire qu'elles essaieront d'atteindre la même concentration des deux côtés de la membrane cellulaire. Évidemment, les molécules n'ont pas d'esprit propre, alors comment se fait-il qu'elles finissent par se déplacer pour éliminer leur gradient ?

Fig. 1. Diagramme de diffusion simple. Même si les molécules de soluté se déplacent des deux côtés, le mouvement net se fait du côté à forte concentration vers le côté à faible concentration, c'est pourquoi la flèche pointe dans cette direction.

C'est le principe général de la diffusion, mais comment cela s'applique-t-il à la cellule ?

Grâce à sa bicouche lipidique, la membrane cellulaire est une membrane semi-perméable. Cela signifie qu'elle ne permet qu'aux molécules ayant certaines caractéristiques de la traverser sans l'aide de protéines auxiliaires.

Fig. 2. Structure des phospholipides. La bicouche lipidique (c'est-à-dire la membrane plasmique) est constituée de deux couches de phospholipides orientées dans des directions opposées : les deux queues hydrophobes se font face. Cela signifie qu'au milieu de la bicouche lipidique, il y a une grande section qui ne permet pas aux molécules chargées de passer.

En particulier, la membrane cellulaire ne permet qu'auxpetites molécules non chargées de traverser librement la bicouche phospholipidique sans aucune aide. Toutes les autres molécules (grosses molécules, molécules chargées) nécessiteront l'intervention de protéines pour traverser. Pour cette raison, une cellule peut facilement réguler le transport des molécules à travers une membrane cellulaire en régulant le type et la quantité de protéines auxiliaires qu'elle possède sur sa membrane plasmique. Elle ne peut pas réguler aussi facilement les molécules qui traversent la membrane où aucune protéine n'est impliquée.

Types de diffusion cellulaire

Selon qu'une molécule peut librement diffuser à travers la membrane cellulaire ou qu'elle a besoin de l'aide d'une protéine, nous classons la diffusion cellulaire en deux types :

• Diffusion simple
• Diffusion facilitée

Ladiffusion simple est le type de diffusion où aucune assistance protéique n'est nécessaire pour que les molécules traversent la membrane cellulaire. Par exemple, les molécules d'oxygène peuvent traverser la membrane sans protéines.

Ladiffusion facilitée est le type de diffusion où les protéines sont nécessaires pour que la molécule descende son gradient jusqu'au côté de la membrane où la concentration est la plus faible. Par exemple, tous les ions auront besoin de l'aide de protéines pour traverser la membrane, parce que ce sont des molécules chargées et qu'elles seront repoussées par la partie centrale hydrophobe de la bicouche lipidique.

Il existe deux types de protéines qui facilitent la diffusion (c'est-à-dire qui participent à la diffusion facilitée) : les protéines de canal et les protéines de transport.

Protéines de canal pour la diffusion facilitée

Ces protéines sont des protéines transmembranaires, c'est-à-dire qu'elles couvrent la largeur de la bicouche phospholipidique. Comme leur nom l'indique, ces protéines constituent un "canal" hydrophile par lequel les molécules polaires et chargées peuvent passer, comme les ions.

Beaucoup de ces protéines de canal sont des protéines de canal à portes qui peuvent s'ouvrir ou se fermer. Cela dépend de certains stimuli. Les protéines de canal peuvent ainsi réguler le passage des molécules. Les principaux types de stimuli sont énumérés :

• Tension (canaux gérés par la tension)

• Pression mécanique (canaux à fermeture mécanique)

• Liaison d'un ligand (canaux à ligands)

Protéines porteuses pour faciliter la diffusion

Les protéines porteuses sont également des protéines transmembranaires, mais elles n'ouvrent pas de canal pour laisser passer les molécules, elles subissent plutôt un changement de conformation réversible de leur forme protéique pour transporter les molécules à travers la membrane cellulaire.

Le processus par lequel le changement de conformation des protéines porteuses se produit est indiqué ci-dessous :

1. La molécule se lie au site de liaison sur la protéine porteuse.

2. La protéine porteuse subit un changement de conformation.

3. La molécule est transportée d'un côté à l'autre de la membrane cellulaire.

4. La protéine porteuse reprend sa conformation initiale.

Il est important de noter que les protéines porteuses sont impliquées à la fois dans le transport passif et dans le transport actif. Dans le transport passif, l'ATP n'est pas nécessaire car la protéine porteuse s'appuie sur le gradient de concentration. Dans le transport actif, l'ATP est utilisé car la protéine porteuse fait la navette entre les molécules contre leur gradient de concentration.

Quelle est la différence entre l'osmose et la diffusion ?

L'osmose et la diffusion sont deux types de transport passif, mais leurs similitudes s'arrêtent là. Les trois différences les plus importantes entre la diffusion et l'osmose sont les suivantes :

• Ladiffusion peut se produire avec les molécules du soluté ou du solvant d'une solution (solide, liquide ou gazeuse). L'osmose, en revanche, ne concerne que lesolvant liquide .
• Pour que l'osmose ait lieu, il faut qu'une membrane semi-perméable sépare deux solutions. Dans le cas de la diffusion, les molécules diffusent naturellement dans n'importe quelle solution, qu'il y ait ou non une membrane. Dans le cas de la diffusion cellulaire, il y a une membrane, mais les molécules diffusent aussi lorsqu'on mélange deux boissons, par exemple.
• Dans la diffusion, les molécules se déplacent le long de leur gradient(de la région de forte concentration vers la région de faible concentration). Dans l'osmose, le solvant se déplace d'une région à potentiel élevé vers une région à potentiel plus faible. Un potentiel d'eau élevé signifie simplement qu'il y a plus de molécules d'eau dans une solution que dans une autre, connectée. En général, cela signifie que l'eau se déplace d'une région à faible concentration de soluté vers une région à forte concentration, c'est-à-dire dans la direction opposée à celle où le soluté se déplacerait par diffusion.

Résumons les différences entre la diffusion et l'osmose dans un tableau :

Tableau 1. Différences entre la diffusion et l'osmose

Quels sont les facteurs qui affectent la vitesse de diffusion ?

Certains facteurs affecteront la vitesse de diffusion des substances. Tu trouveras ci-dessous les principaux facteurs que tu dois connaître :

• Gradient de concentration

• La distance

• la température

• La surface

• Propriétés moléculaires

Gradient de concentration et vitesse de diffusion

Il s'agit de la différence de concentration d'une molécule dans deux régions distinctes. Plus la différence de concentration est importante, plus la vitesse de diffusion est rapide. En effet, si une région contient plus de molécules à un moment donné, ces molécules se déplaceront plus rapidement vers l'autre région.

Distance et vitesse de diffusion

Plus la distance de diffusion est petite, plus le taux de diffusion est rapide. En effet, tes molécules n'ont pas besoin de parcourir une aussi grande distance pour atteindre l'autre région.

Température et taux de diffusion

Rappelle que la diffusion repose sur le mouvement aléatoire des particules dû à l'énergie cinétique. À des températures plus élevées, les molécules auront plus d'énergie cinétique. Par conséquent, plus la température est élevée, plus le taux de diffusion est rapide.

Surface et vitesse de diffusion

Plus la surface est grande, plus le taux de diffusion est rapide. En effet, à tout moment, davantage de molécules peuvent se diffuser à travers la surface.

Propriétés moléculaires et vitesse de diffusion

Les membranes cellulaires sont perméables aux petites molécules non chargées et non polaires. C'est le cas de l'oxygène et de l'urée. Cependant, la membrane cellulaire est imperméable aux molécules polaires plus grosses et chargées. C'est le cas du glucose et des acides aminés.

Protéines membranaires et vitesse de diffusion

La diffusion facilitée repose sur la présence de protéines membranaires. Certaines membranes cellulaires auront un nombre accru de ces protéines membranaires afin d'augmenter le taux de diffusion facilitée.

Exemples de diffusion en biologie

Il existe de nombreux exemples de diffusion en biologie. De l'échange de gaz cellulaire à des processus plus importants comme l'absorption de nutriments dans le système digestif, tous ont besoin du processus de base de la diffusion cellulaire. Certains types de cellules ont même développé des caractéristiques spéciales pour augmenter leur surface de diffusion et d'échange osmotique.

Diffusion de l'oxygène et du dioxyde de carbone

L'oxygène et le dioxyde de carbone sont transportés par simple diffusion lors des échanges gazeux. Dans les alvéoles des poumons, la concentration en molécules d'oxygène est plus élevée que dans les capillaires qui irriguent ce même organe. Par conséquent, l'oxygène aura tendance à passer des alvéoles dans le sang.

Pendant ce temps, la concentration de molécules de dioxyde de carbone est plus élevée dans les capillaires que dans les alvéoles. En raison de ce gradient de concentration, le dioxyde de carbone va se diffuser dans les alvéoles et sortir du corps par la respiration normale.

Diffusion de l'urée

Le déchet urée (issu de la dégradation des acides aminés) est fabriqué dans le foie, et il y a donc une concentration d'urée plus élevée dans les cellules du foie que dans le sang.

L'urée est une molécule très polaire et ne peut donc pas traverser seule la membrane cellulaire. L'urée se diffuse dans le sang par le biais d'une diffusion facilitée. Cela permet aux cellules de réguler le transport de l'urée de sorte que toutes les cellules n'absorbent pas l'urée.

Impulsions nerveuses et diffusion

Les neurones transportent les impulsions nerveuses le long de leur axone. Les impulsions nerveuses ne sont que des différences de potentiel de la membrane cellulaire, c'est-à-dire la concentration d'ions positifs de chaque côté de la membrane. Pour ce faire, la diffusion est facilitée par des protéines de canal spécifiques aux ions sodium (^Na+). On les appelle des canaux à ions sodium voltage-gated car ils s'ouvrent en réponse à des signaux électriques.

La membrane cellulaire des neurones a un potentiel membranaire de repos spécifique (-70 mV) et un stimulus, tel qu'une pression mécanique, peut déclencher une diminution de ce potentiel membranaire. Ce changement de potentiel de membrane entraîne l'ouverture des canaux d'ions sodium voltage-gated. Les ions sodium pénètrent alors dans la cellule à travers la protéine du canal car leur concentration à l'intérieur de la cellule est inférieure à la concentration à l'extérieur de la cellule. Ce processus est appelé dépolarisation.

Transport du glucose par diffusion facilitée

Le glucose est une molécule de grande taille et très polaire, et ne peut donc pas diffuser de lui-même à travers la bicouche phospholipidique. Le transport du glucose dans une cellule repose sur unediffusion facilitée par des protéines porteuses appelées protéines transporteuses de glucose(GLUT). Note que le transport du glucose par les GLUT est toujours passif, bien qu'il existe d'autres méthodes de transport du glucose à travers la membrane qui ne sont pas passives.

Examinons le glucose qui pénètre dans les globules rouges. De nombreux GLUT sont répartis dans la membrane des globules rouges, car ces cellules dépendent entièrement de la glycolyse pour produire de l'ATP. La concentration de glucose est plus élevée dans le sang que dans les globules rouges. Les GLUT utilisent ce gradient de concentration pour transporter le glucose dans le globule rouge sans avoir besoin d'ATP.

Adaptations pour un transport rapide du glucose dans l'iléon

Comme nous l'avons déjà mentionné, certaines cellules spécialisées dans l'absorption ou l'excrétion de molécules, comme les cellules des alvéoles ou celles de l'iléon, ont développé des adaptations pour améliorer le transport des substances à travers leurs membranes.

La diffusion facilitée se produit dans les cellules épithéliales de l'iléon pour absorber des molécules comme le glucose. En raison de l'importance de ce processus, les cellules épithéliales se sont adaptées pour augmenter la vitesse de diffusion.

Fig. 6. Transport du glucose dans l'iléon. Comme tu peux le voir, il existe également des transporteurs passifs de glucose dans l'iléon, mais il existe aussi un autre système : le cotransporteur sodium/glucose. Bien que cette protéine porteuse n'utilise pas directement l'ATP pour transporter le glucose dans la cellule, elle utilise l'énergie dérivée du transport du sodium le long de son gradient (dans la cellule). Ce gradient de sodium est maintenu par la pompe Na/K ATPase, qui utilise l'ATP pour exporter le sodium et importer le potassium dans la cellule.

Les cellules épithéliales de l'iléon contiennent des microvillosités qui constituent la bordure en brosse de l'iléon. Les microvillosités sont des projections en forme de doigts qui augmentent la surface de transport. Les cellules épithéliales contiennent également une plus grande densité deprotéines porteuses. Cela signifie que plus de molécules peuvent être transportées à un moment donné.

Un gradient de concentration élevé entre l'iléon et le sang est maintenu par un flux sanguin continu. Le glucose passe dans le sang par diffusion facilitée le long de son gradient de concentration et, en raison du flux sanguin continu, le glucose est constamment éliminé. Cela augmente le taux de diffusion facilitée.

En outre, l'iléon est tapissé d'une seule couche de cellules épithéliales . Cela permet une courte distance de diffusion pour les molécules transportées.

Dans l'ensemble, l'iléon a évolué pour augmenter la diffusion de molécules comme le glucose de la lumière des intestins vers le sang.