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Chapitre 3 : L'osmose Cellule télé enseignement 1.0 Déc 2014 Table des matières

Chapitre 3 : L'osmose Cellule télé enseignement 1.0 Déc 2014 Table des matières Objectifs 3 Introduction 4 I - Mise en évidence du phénomène d'osmose 5 II - Loi expérimentale suivie par la pression osmotique 6 III - Les types de membrane 7 1. La membrane strictement hémi-perméable : ...................................................................................... 7 2. La membrane dialysante .......................................................................................................................... 7 IV - Pression oncotique et équilibre de Starling 8 V - Énergie et osmose 10 1. Ultrafiltration rénale .................................................................................................................................. 10 2. Modélisation du travail osmotique - cas réversible ......................................................................... 10 3. L'osmose inverse ..................................................................................................................................... 11 4. Application au travail de la concentration de l'urine dans le rein ............................................... 11 Références 13 Bibliographie 14 Webographie 15 3 L'issue de ce chapitre est de : *Mis en évidence du phénomène d'osmose *Suivre la Loi expérimentale par la pression osmotique. *Étudier la Pression oncotique et équilibre de Sterling, ainsi que Énergie . Pré-requis : L'étudiant est capable de calculer : *La pression osmotique. *La pression oncotique. Objectifs 4 Voyant le cas des membranes matérielles qui ne sont jamais parfaitement hémiperméable. Elles présentent seulement une perméabilité beaucoup plus grande pour le solvant (l'eau en général) que pour le soluté. Pour le raisonnement on les supposera cependant semi-perméables : vessie de porc, toutes les membranes biologiques (surfaces d'échange entre les cellules végétales et animales). Introduction Mise en évidence du phénomène d'osmose 5 En construisant un dispositif tel celui de la figure 1 où une membrane perméable à l'eau sépare deux compartiments, l'un contenant de l'eau pure et l'autre une solution de glucose, on observe une montée de l'eau dans le compartiment contenant le glucose jusqu'à un niveau donné (endosmose). Après une stabilisation de ce niveau, l'eau commence à redescendre jusqu'à égalité des niveaux des deux compartiments (exosmose). L'interprétation du phénomène est qu'il se développe une pression qui pousse le solvant dans le compartiment contenant le soluté. Lorsque cette pression osmotique est équilibrée par la pression hydrostatique développée par la hauteur de la colonne d'eau dans le tube (hρg), la montée s'arrête. Ensuite, l'eau redescend car la membrane n'est pas totalement imperméable au glucose et la concentration en glucose tend à s'égaliser dans les deux compartiments, supprimant la poussée. La pression osmotique p.14 *¨ p.14 *¨ est, par définition, la pression qu'il faudrait exercer sur une solution pour l'amener à un état d'équilibre (= absence de flux net) avec le solvant dont elle est séparée par une membrane à perméabilité sélective, soit : π = h.ρ.g Deux solutions dont les pressions osmotiques sont égales sont dites “isotoniques”. En cas d'inégalité, elles sont “hypertonique” et “hypotonique” l'une par rapport à l'autre : une solution étant choisie comme référence et la membrane étant précisées. Dans l'organisme, les secteurs cellulaire, interstitiel, intravasculaire, sont autant de compartiments séparés par des membranes à perméabilité sélective, généralement différente d'un type de séparation à l'autre. Chaque cellule, chaque compartiment cellulaire (noyau, vacuole, lysosome, ...) sont des compartiments microscopiques où vont intervenir les phénomènes osmotiques. p.13 *¤ p.13 *¤ p.15 *¨ p.13 *¤ Figure 1 : phénomène d'osmose Mise en évidence du phénomène d'osmose I Loi expérimentale suivie par la pression osmotique 6 Elles sont établies par Pfeffer dans deux conditions : - la membrane de l'osmomètre est strictement hémi-perméable, seule l'eau peut la traverser. On la réalise à l'aide d'un vase poreux recouvert d'un gel de ferrocyanure de cuivre. - les solutions sont diluées. On peut les considérer comme idéales (les molécules de soluté sont trop éloignées les unes des autres pour avoir des interactions). La loi de Pfeffer s'écrit : π = n.R.T , π étant la pression osmotique, R, la constante des gaz parfaits, T, la température absolue, n, l'osmolarité (nombre de moles de particules par unité de volume). En écrivant : n = N/V, on retrouve une analogie fonctionnelle avec la loi de Mariotte (dite des gaz parfaits) : P.V = N.R.T. Comme dans le cas des gaz parfaits, il s'agit de particules “actives” par rapport à un milieu ambiant. Il s'ensuit que lorsque la molécule se dissocie en deux, elle crée deux espèces qui ne traversent pas la membrane. Par exemple, donc une solution molaire contient 1 mole/litre de NaCl qui libère deux osmoles par litre (1 osmole Na+ et une osmole Cl-). Loi expérimentale suivie par la pression osmotique II Les types de membrane 7 La membrane strictement hémi-perméable : 7 La membrane dialysante 7 1. La membrane strictement hémi-perméable : seule l'eau peut la traverser. Toute particule du soluté intervient dans le calcul de la pression osmotique. On parle aussi de membrane idéale. 2. La membrane dialysante Elle laisse passer l'eau et les micromolécules. Seules les macromolécules ne peuvent la traverser, elles contribuent donc de façon unique à la création de la pression osmotique : on parle de pression oncotique : En première approximation, la paroi d'un capillaire est considérée comme une paroi dialysant et de même pour les membranes de cellophane utilisées dans les reins artificiels. Remarque Toutes les membranes réelles ont un comportement intermédiaire. Elles laissent passer l'eau et d'autres substances, s'approchant plus ou moins d'un des deux types décrits. Ainsi, on verra l'existence de membranes semi-perméable biologique, laissant passer l'eau et l'urée Les types de membrane III Pression oncotique et équilibre de Starling 8 Le secteur interstitiel contient peu de protéines et ne développe donc pas de pression oncotique. Il y a donc une tendance à voir passer le plasma du secteur interstitiel vers le secteur vasculaire. Or, dans les capillaires du coté artériel, la pression hydrostatique est supérieure à la pression oncotique. Celle-ci compense donc le flux d'origine oncotique et il entraîne même un flux net d'eau et de microélectrolyses du capillaire dans le milieu interstitiel. C'est le phénomène d'osmose inverse, ou d'ultrafiltration. Pour se convaincre de son existence, on peut imaginer l'osmomètre dans lequel on verse de l'eau par le compartiment contenant la solution : l'eau monte dans le tube et la pression hydrostatique fait renverser le flux d'osmose pour rester à l'équilibre. Dans les capillaires veineux, la pression hydrostatique est inférieure à la pression oncotique et le flux résultant s'inverse par rapport au versant artériel. Sur un plan global, ces deux flux s'équilibrent dans le temps : le volume interstitiel reste constant mais avec un renouvellement permanent. Ce phénomène physico-chimique, portant sur l'eau, contribue aux échanges des petites molécules entre les secteurs corporels par convection à travers les membranes. Figure 2 : phénomène d'osmose inverse Normalement, les chiffres de pression sont de cet ordre : Pa = 32 mmHg & Πa = 25 mmHg Pv = 18 mmHg & Πv = 25 mmHg On constate que les gradients de pression qui déterminent les flux sont identiques, c'est à dire que la Pression oncotique et équilibre de Starling IV Pression oncotique et équilibre de Starling 9 pression de filtration, Pf = Pa - Π, est égale à la pression de résorption, Pr = Π - Pv. Cet état s'appelle équilibre de Starling. Il peut être perturbé lorsque la concentration de protéines diminue, on a alors une baisse de la pression oncotique. Si, par exemple, Π passe de 25 à 21 mmHg, Pf augmente (9 mmHg) et Pr diminue (3 mmHg), l'équilibre Pf = Pr est rompu et Pf > Pr, entrainant une accumulation d'eau dans le secteur interstitiel (œdème). La baisse anormale de la pression oncotique Π peut être causée par : - carence d'apport (famine), - excès d'élimination (urinaire dans le syndrome néphrotique), - défaut de synthèse (insuffisance hépatique, cirrhose). L'équilibre peut être rompu par une augmentation de la pression veineuse. Si, par exemple, Pv passe de 18 à 22 mmHg, Pf reste inchangée tandis que Pr diminue (3 mmHg), on se retrouve dans la situation précédente où Pf > Pr. On observe cette situation en cas d'obstacle à la circulation veineuse : - compression veineuse par une tumeur, - obstruction de la veine par un caillot de phlébite, - insuffisance cardiaque (cœur droit, œdème hépatique ; cœur gauche, œdème pulmonaire). En théorie, il serait nécessaire de considérer les variations de Pa. Le cas de l'abaissement est rencontré dans l'insuffisance cardiaque ; on observe alors un blocage de la pompe cardiaque qui entraine en amont une augmentation de la pression veineuse et c'est ce paramètre qui prime (œdèmes). A l'inverse, la pression artérielle peut augmenter (HTA) mais ce phénomène se déroule essentiellement au niveau des grosses et moyennes artères et ne parvient au niveau capillaire qu'à un stade très avancé de la pathologie. Énergie et osmose 10 Ultrafiltration rénale 10 Modélisation du travail osmotique - cas réversible 10 L'osmose inverse 11 Application au travail de la concentration de l'urine dans le rein 11 1. Ultrafiltration rénale Dans le rein, il existe une structure, le glomérule, au sein de laquelle se forme l'urine primitive. Figure 3 : ultrafiltration rénale On assimile l'ensemble des membranes séparant le sang et l'urine primitive à une seule membrane dialysante. A l'état normal, il n'y a pas de protéines dans les urines, donc le sang exerce une pression oncotique qui a tendance à faire un appel d'eau vers le plasma. uploads/Litterature/ osmose 1 .pdf