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Compte rendu TP sur l'osmose...

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Biologie Intégrative Compte rendu TP: L’osmose

L’osmose de l’eau chez les organismes vivants L’eau est la molécule la plus présente au sein des organismes vivants. Par exemple, un être humain est composé à 70% d’eau. Il convient donc d’assimiler les organismes vivants à des masses d’eau importantes contenues dans des membranes. Ces organismes appartiennent aussi à un milieu plus ou moins aqueux. De cette façon, l’intégrité et la survie de ces organismes dépendent grandement des paramètres de ces deux masses d’eau, particulièrement de leur osmolarité. La différence d’osmolarité de la masse d’eau interne d’une cellule par rapport à la masse d’eau qui l’entoure permet des mouvements d’eau entre l’intérieur et l’extérieur de cette cellule. A l’occasion de la prochaine saison de Top chef, M6 nous a demandé de nous pencher sur l’aspect scientifique de son thème, la cuisine moléculaire, et plus particulièrement l’osmose des aliments organiques. Il s’agit donc pour nous de savoir en quoi l’osmose de l’eau contenue dans les cellules influe sur les organismes vivants présents dans un milieu. Pour cela, nous allons d’abord étudier l’osmose de l’eau au sein des tissus vivants, c’est-à-dire sa mise en œuvre à l’échelle cellulaire. Ensuite, nous nous pencherons sur ses conséquences à l’échelle des organismes et des interactions avec leur environnement.

I.

L’osmose de l’eau dans les tissus vivants

Nous allons pouvoir commencer par expliquer le phénomène d’osmose et l’osmolarité. Tout d’abord, l'osmose, est le transfert d'une certaine quantité d'eau d'une solution qui est diluée (que l'on appelle alors hypotonique), vers une solution qui est concentrée (appelée hypertonique), au travers une membrane semi-perméable entre deux compartiments (qui est perméable à l'eau mais non aux grosses molécules de cette solution). On retrouve alors l'osmolarité qui est ainsi définie comme le nombre de particules osmotiquement actives par litre de solution, c'est-à-dire, plus exactement, le nombre de moles en solution qui interviennent dans la pression osmotique s'exerçant sur une membrane lorsque le phénomène d'osmose se produit. C'est donc une grandeur qui intervient dans la définition de la pression osmotique. Elle se mesure en osmole par litre (osm/L). Rappelons qu'une osmole est une mole de particules effectivement en solution. Par exemple, une solution à 1 mol/L de NaCl correspond à une osmolarité de 2 osmol/L du fait que le facteur osmotique de Van’t Hoff du NaCl vaut 2. En effet, on peut calculer l’osmolarité grâce à la formule O = i.C (avec O l’osmolarité, i le facteur osmotique de Van’t Hoff correspondant au nombre d’entité ionisable si dissociation totale) Toutefois, il ne faut jamais oublier que toute osmole ne correspond pas automatiquement à des particules osmotiquement actives. Nous avons émis l’hypothèse que des particules osmotiquement actives sont des molécules qui effectuent ou provoquent une grande quantité de mouvement ; c’est ainsi que l’on retrouverait le sel et le sucre qui ont une osmolarité différentes. On retrouve ainsi des substances osmotiquement actives: les osmolytes. Elles peuvent être subdivisées en 3 catégories : glucides, acide aminé et méthylamine. Ainsi, ces osmolytes permettent d’augmenter la pression osmotique. Les particules ionisées sont celles qui ont le plus fort pouvoir osmotique. L’osmolarité d’un compartiment n’a d’intérêt que si elle est comparée à l’osmolarité d’un compartiment voisin, séparé par une limite semi-perméable. Dans le cas d’un organisme par rapport à son milieu, on retrouve trois solutions possibles : - l’organisme hypo-osmotique a une osmolarité inférieure à celle du milieu. Cela induit une sortie d’eau et éventuellement un gain de soluté. - L’organisme hyper-osmotique a une osmolarité supérieure à celle du milieu. Cela induit une entrée d’eau et éventuellement une perte de solutés - L’organisme iso-osmotique a la même osmolarité que le milieu. Dans ce cas, il n’y a aucun flux net d’eau, ce qui n’exclut cependant pas d’éventuels passages de solutés. En effet, l’iso-osmolarité correspond à une valeur globale des solutés, ce qui ne préjuge pas du fait qu’il peut exister des différences de concentration pour chacun des solutés, considérés individuellement.

A. Chez les animaux Comme énoncé précédemment, l’osmose est un phénomène durant lequel il y aura un échange de liquide d'une solution hypotonique à une solution hypertonique à travers une membrane semi-perméable par rapport au liquide dans lequel elle baigne. Les échanges par osmose se font donc au niveau des cellules mais suivant la spécificité de ces cellules et suivant l'endroit ou elles se trouvent dans l'organisme, le phénomène de l'osmose n'aura pas la même action. Nous allons étudier les trois états qu’un globule rouge peut avoir.

Le sang est formé de plasma et de globules rouges. Les hématies sont des globules rouges présentes dans le sang, colorées par l’hémoglobine et dont le nombre par mm3 de sang est d’environ 5 millions. Nous constatons dans la première représentation des hématies qui sont plongées dans une solution de NaCl (9 p 1000), que celles-ci sont dans un état isotonique. Cela signifie qu’il y a la même osmolarité entre le milieu extérieur à l’hématie et le milieu intérieur de l’hématie. Cette fois-ci, nous remarquons que les hématies possèdent une structure plutôt “flétrie” et vide. Elles sont plongées dans une solution de NaCl 12 p 1000 (solution saline très concentrée). Elles sont dans un milieu hypertonique ou le cytoplasme est hypotonique par rapport au milieu extérieur. Cela signifie que l’osmolarité de l’hématie est supérieure à celle du milieu extérieur. Nous en concluons pour cette photographie que si les globules rouges sont placés dans une solution hypertonique, ils se rétracteront. Le milieu extérieur est hypertonique entraînant la sortie de l'eau des hématies, ce phénomène s’appelle l’exosmose. Enfin nous abordons le troisième état visible chez l’hématie ; l’état hypertonique. Ces hématies sont placées dans une solution saline de concentration faible (hypotonique), ou l’hématie subit un pression osmotique considérable. L'entrée massive d'eau dans l'hématie entraîne le gonflement puis l'éclatement du globule rouge. C’est ce que l’on appelle l’endosmose. Cette rupture forme l’hémoglobine

Document 7: Indice d’hémolyse utilisé en hématologie L’indice d’hémolyse est un indice sanguin, qui nous permet de mesurer la couleur rouge du sang, étant donné que le le plasma, seul, est jaune. Cette couleur rouge, donc cette hémolyse, est due à la présence d’hémoglobines provenant de la rupture des membranes des hématies. Plus le rouge est intense, plus la quantité d’hémoglobine est importante. L’osmose est donc un phénomène majeur et très présent dans le sang, car c’est lui qui provoque l’éclatement de ces globules rouges.

Si nous mettons en corrélation le taux d’hémolyse en fonction de la concentration en NaCl dans lequel les hématies sont immergées. Nous remarquons sur le graphique que pour une contraction de NaCl de 0% jusqu'à 0,60%, le pourcentage d’hémolyse est égale à 100%. A partir de 0,60% de concentration de NaCl, la quantité de globule rouge qui éclatent diminue. Cette quantité passe en dessous de 50% lorsque que la concentration en NaCl est supérieure ou égale à 0,70%. Cela montre bien que lorsque la concentration en NaCl est faible, les

hématies subissent une pression osmotique importante les faisant éclater.

Nous pouvons retenir que sous une pression trop importante le globule rouge, une cellule animale, en suspension dans du plasma, a une forme normale biconcave. Dans une solution saline avec un faible concentration en NaCl, le globule rouge gonfle et éclate lorsque l'eau est entrée dans la cellule par endosmose. Dans une solution saline plus concentrée que le plasma, l'eau quitte la cellule par exosmose, provoquant son flétrissement. Qu’en est-il chez les cellules végétales, celles-ci vont-elles aussi éclater ?

B. Chez les végétaux L’osmose a aussi lieu au sein des tissus végétaux, eux aussi, riches en eau et s’organise ainsi autour de deux phénomènes majeurs : la turgescence et la plasmolyse. La turgescence est un état cellulaire où une cellule végétale, ayant absorbé de l'eau, se retrouve en état de tension. Celle-ci est due à l'entrée par osmose d'un flux d'eau dans la cellule végétale et sa vacuole. La pression engendrée par cet afflux d'eau, ou pression de turgescence, rigidifie les parties molles de la plante (tiges, feuilles, pétales). Ce flux d'eau est créé par la présence dans le milieu externe d'un liquide moins concentré que le milieu cellulaire, ce qui provoque un déplacement d'eau par osmose depuis le milieu externe vers le milieu cellulaire. Ainsi, les cellules d'une plante en stress hydrique (déshydratation) et ratatinées par le manque d'eau se gonfleront en présence d'eau et redonneront à la plante son port dressé. A l’opposé, on retrouve la plasmolyse. C’est un état cellulaire de la cellule végétale où, suite à une perte d'eau, la membrane se décolle de la paroi pecto-cellulosique. La plasmolyse se produit lorsqu'un flux d'eau sort par osmose de la vacuole et de la cellule végétale. La diminution de pression qui s'ensuit provoque le ratatinement des parties molles de la plante (tiges, feuilles, pétales), qui ne sont plus soutenues par la pression de turgescence. Ce flux d'eau est créé soit par le manque d'eau dans le milieu externe, soit par la présence dans ce milieu d'un liquide plus concentré que le milieu cellulaire. Dans ces situations, il y a un déplacement d'eau par osmose depuis le milieu cellulaire vers le milieu externe. Ainsi, les cellules d'une plante soumise à une sécheresse ou à une eau trop concentrée en sels perdront leur eau et seront en plasmolyse. Les parties molles se ratatineront alors et la plante mourra de détresse hydrique si la situation ne lui permet pas rapidement de réabsorber de l'eau.

cellule turgescente

cellule en plasmolyse

Étudions ces effets dans un cas pratique ; sur une cellule d’épiderme d’oignon.

Une vidéo d’expérience nous a été transmise. Nous avons pu observer que 10 échantillons d’épiderme d’oignon avait été immergés dans une solution de NaCl + eau distillée et 10 autres dans une solution de Saccharose + eau distillée, le tout à différentes concentrations variant de 0,1 à 1 Mol/L. Nous avons ainsi pu observer les 20 observations au microscope qui s’en sont suivies.

On observe ici une cellule d’épiderme d’oignon en turgescence dans une solution de NaCl au microscope photonique avec un grossissement x400. On peut remarquer que la vacuole est gonflée d’eau, dûe à l’osmose d’un flux d’eau. Ce flux d'eau est créé par la présence dans le milieu externe d'eau et de NaCl, moins concentré que le milieu cellulaire, ce qui provoque ainsi un déplacement d'eau par osmose depuis le milieu externe vers le milieu cellulaire.

Sur ce dessin, on peut observer une cellule d’épiderme d’oignon en plasmolyse dans une solution de NaCl au microscope photonique avec un grossissement x400. En effet, en opposition à la cellule en turgescence, on observe que la vacuole a nettement diminué et qu’elle prend beaucoup moins de place. Elle s’est en quelque sorte “ratatiné”. Ce phénomène est également dû à l’osmose d’un flux d’eau. A la différence des cellules en turgescence, les cellules en plasmolyse se trouvent dans des milieux plus concentrés que leur milieu cellulaire. Cela provoque ainsi un déplacement d’eau par osmose depuis le milieu cette fois cellulaire vers le milieu externe. Suite à l’expérience, nous comprenons que la plasmolyse se produit lorsqu’on immerge la cellule dans une solution contenant 0,5 Mol/L de NaCl. Or, pour les cellules immergées dans des solutions de saccharose, la plasmolyse se produit quand les cellules sont immergées dans une solution contenant de l’eau distillée ainsi que 0,8 mol/L. De ce fait, on peut

conclure en notant que le mouvement d’eau entre un milieu salé et le milieu cellulaire est nul quand la concentration est de 0,5 Mol/L alors qu’il sera de 0,8 Mol/L pour un mouvement entre un milieu sucré et le milieu cellulaire.

II.

L’osmose à l’échelle des organismes A. Chez les animaux

Les poissons et autres animaux aquatiques, par leur mode de vie purement aquatique (sauf rares exceptions), sont les animaux qui font le plus souvent face aux phénomènes osmotiques. Avant tout, comme le montre le document 3, tous les milieux aquatiques n’ont pas la même osmolarité. Ainsi, on peut différencier les étendues d’eau douce et celles d’eau salée par leur concentration en sel NaCl, c’est-à-dire en ions Na+ et Cl-. En effet, l’eau douce a une osmolarité de 1,6 mOsm/L alors que l’eau salée affiche 1138 mOsm/L. Cette grande différence implique donc des paramètres environnementaux très différents pour les espèces qui peuplent ces milieux. Grâce au document 4, on observe une certaine tendance chez les poissons : les poissons d’eau salée sont hypo-osmotiques, leur osmolarité est plus faible que celle de l’eau salée ; les poissons d’eau douce sont plutôt hyper-osmotiques, affichant une osmolarité plus grande que celle de l’eau douce. Si on suit le raisonnement établi lors de la première partie de cette étude, on peut penser que les poissons d’eau salée se vident de leur eau et se dessèchent alors que les poissons d’eau douce gonflent en assimilant toujours plus d’eau du milieu extérieur. Toutefois, ces phénomènes nuisent indubitablement à leur survie et c’est pour cela que l’évolution les a munis de stratagèmes adaptés pour lutter contre les effets néfastes de l’osmose. On parle alors d’osmorégulation.

Chez les poissons d’eau douce, hyperosmotiques, l’apport d’eau dans l’organisme est essentiellement dû aux branchies par lesquelles, par un phénomène d’osmose, l’eau a tendance à pénétrer dans l’organisme. Leur peau, elle, est recouverte d’un mucus presque imperméable évitant une entrée passive et incontrôlée d’eau. Ces poissons sont donc en excès permanent d’eau, c’est pour cela qu’ils ne boivent pas. Pour

compenser, ils doivent évacuer une urine abondante après absorption des minéraux et nutriments nécessaires à leur métabolisme grâce à leurs reins. Les branchies elles leur permettent d’assimiler les ions Na+ et Cl-, rares dans l’eau douce, et l’oxygène, ce qui les oblige à filtrer de grandes quantités d’eau.

Chez les poissons d’eau salée, c’est l’inverse. Ils sont hypo-osmotiques et ont donc tendance à se déshydrater, notamment par les branchies. Ils ont donc besoin d’absorber de très grandes quantités d’eau et boivent alors en permanence. Leur derme est imperméable afin de contenir un maximum d’eau de la même façon que leur urine, très peu abondante.

Ces importantes différences de métabolisme induisent une pression environnementale notable sur les populations de poissons. Un poisson d’eau de mer ne pourrait ainsi pas survivre dans une eau douce et inversement. Aussi, un faible changement d’osmolarité de l’eau obligera le poisson à utiliser plus d’énergie pour subvenir aux besoins de son organisme, adapté à des conditions environnementales différentes.

Le document nous apporte aussi des informations plus spécifiques sur les poissons d’eau salée. Le requin a une osmolarité proche de l’eau salée alors que celle du flétan est très faible. En effet, les poissons cartilagineux, comme le requin, ont des branchies bien moins développées que les poissons osseux, comme le flétan, qui ont une osmolarité très faible, ce qui les oblige à avoir une importante surface branchiale où l’on trouve en plus des cellules à chlorure. Les cellules à chlorure, ou ionocytes, sont des cellules spécifiques de l’osmorégulation. Localisées dans les branchies, en première ligne pour assurer les échanges ioniques entre le poisson et l’eau de mer, elles permettent au poisson d’évacuer le chlorure de sodium

nocif. Ainsi, grâce à des pompes à sodium membranaires, les cellules à chlorure permettent d’assimiler les ions potassium K+ nécessaires à la vie tout en éliminant les ions chlorure Cl et les ions sodium Na+ en excès. Ces échanges sont permis par une enzyme la Na+K+ATPase. Comme les animaux marins ne possèdent pas tous des cellules à chlorure voire des branchies, ils possèdent d’autres moyens d’évacuer les excédents en sel tel qu’une glande rectale chez les requins ou une glande à proximité des yeux chez les tortues marines. Chez les animaux vertébrés, on trouve aussi un autre lieu de l’osmose : les reins. Les reins représentent une paire d’organes appartenant à l’appareil urinaire. Leur rôle est de filtrer le sang pour en évacuer les déchets par l’urée. Pour cela, le rein doit entraîner l’osmose de l’eau contenue dans le sang qui circule dans les néphrons (tuyaux traversant le rein). Or, l’osmolarité des néphrons étant plus faible que celle des tissus rénaux, l’eau et les déchets qu’elle contient passent du sang aux reins pour former une urine plus ou moins concentrée. Cette urine est alors évacuée par l'urètre alors que les substances utiles conservées par les reins, comme par exemple le glucose, retournent dans le sang. Cependant, parfois, les reins peuvent être déficients, on parle alors d’insuffisance rénale. Leur pouvoir filtrant est réduit et ils ne permettent plus d’évacuer efficacement les déchets dans l’urine. Chez l’Homme, on peut compenser cette déficience par un traitement qui ne fait pas intervenir de greffe : l’hémodialyse rénale. Cette dialyse permet au patient souffrant d’insuffisance rénale de débarrasser le sang des toxines, de l’eau et du sel en excès. Le principe est de recréer un rein artificiel à l’extérieur du corps du patient grâce à un dialyseur. A l’aide d’une pompe, le sang du patient circule jusqu’à une membrane artificielle semi-perméable derrière laquelle se trouve un liquide de dialyse à l’osmolarité élevée. Par osmose, l’eau chargée en déchets passe du sang au liquide de dialyse pour éliminer progressivement un maximum de déchets du corps du patient. L’osmose est donc intrinsèquement liée au métabolisme et à la survie des animaux mais, on la retrouve aussi chez les végétaux.

B. Chez les végétaux Une cellule est qualifiée de turgescente lorsqu’on observe le cytoplasme d’une cellule plaquée contre sa paroi cellulaire par une vacuole gorgée d’eau. Celle-ci est responsable du maintien de la forme cellulaire ainsi que du port du végétal. Lors de la phase de turgescence l'eau à tendance à entrer dans la cellule celle ci gonfle et applique une pression sur la paroi cellulaire. L’eau à donc tendance à rentrer dans la cellule jusqu’à ce que la paroi cellulaire rigide s’oppose à une entrée d’eau supplémentaire. La vacuole exerce alors sur la paroi une pression équilibrée par la résistance de celle-ci. Cette pression permet donc l’allongement cellulaire, elle exerce la force motrice nécessaire à l’étirement plastique de la paroi. Cette pression donne de la rigidité aux parties souples de la plante, comme les feuilles, la tige. L'état de turgescence est normalement constant c'est ce qui régénère les ressources en eau de la plante.Une baisse de turgescence se traduit au

niveau de la plante entière par un "ramollissement" des organes, que l'on appelle, selon les cas, le flétrissement ou la fanaison. Or lorsqu'on place ces cellules dans une solution hypertonique donc dans une solution plus concentrée en substances dissoutes que le contenu cellulaire, elles subissent une perte d’eau importante et se rétractent. Le cytoplasme se décolle de la paroi cellulaire. La cellule est qualifiée de plasmolysée. Lorsque les cellules sont plasmolysées, les parties souplent de la plante se fanent, on parle alors de dessiccation. Le principe de l'osmose est important chez les végétaux, notamment pour la concentration des engrais. L'osmose permet d' équilibrer les concentrations en sels minéraux entre le sol et la plante. Dans les plantes, les radicelles des racines laissent les minéraux en dissolution dans l’eau pénétrer le système racinaire mais empêchent les particules de saletés de passer. Les cellules situées dans les radicelles des racines des plantes contiennent une solution d...