La différence entre l'osmose et le transport actif

Une cellule a de nombreuses exigences pour croître et se répliquer, et même les cellules qui ne se développent pas ou ne se répliquent pas activement ont besoin des nutriments de l’environnement pour fonctionner. La plupart des besoins de la cellule sont des molécules que l'on peut trouver à l'extérieur de la cellule, notamment de l'eau, des sucres, des vitamines et des protéines..

La membrane cellulaire a des fonctions protectrices et structurelles importantes et elle permet de séparer le contenu cellulaire de l’environnement extérieur. La bicouche lipidique de la membrane cellulaire est composée de phospholipides, qui ont des queues hydrophobes (solubles dans l'huile, «craintives pour l'eau») qui forment une barrière pour de nombreux solutés et molécules dans l'environnement. Cette caractéristique de la membrane cellulaire permet à l'environnement interne de la cellule de se différencier de l'environnement externe, mais constitue également une barrière majeure à la capture de certaines molécules de l'environnement et à l'expulsion des déchets..

La bicouche lipidique ne pose toutefois pas de problème pour toutes les molécules. Les molécules non polaires hydrophobes (ou solubles dans l'huile) peuvent diffuser librement à travers la membrane cellulaire. Cette classe de molécules comprend des gaz tels que l'oxygène (O2), le dioxyde de carbone (CO2) et l'oxyde nitrique (NO). Des molécules organiques hydrophobes plus grosses peuvent également traverser la membrane plasmique, notamment certaines hormones (telles que l'œstrogène) et des vitamines (telles que la vitamine D). Les petites molécules polaires (y compris l'eau) sont partiellement gênées par la bicouche lipidique mais peuvent toujours passer à travers.

Pour les molécules qui peuvent librement traverser la membrane de la cellule, leur concentration dépend du fait qu'elles entrent ou sortent de la cellule. La tendance des molécules à se déplacer en fonction de leur gradient de concentration (c'est-à-dire d'une concentration plus élevée à une concentration plus basse) s'appelle la diffusion. Cela signifie que les molécules s'écouleront de la cellule s'il y a plus à l'intérieur de la cellule qu'à l'extérieur. De même, s’il ya plus de cellules en dehors de la cellule, les molécules s’écouleront dans la cellule jusqu’à ce qu’un équilibre soit trouvé. Par exemple, considérons une cellule musculaire. Pendant l'exercice, la cellule convertit l'O2 en CO2. Au fur et à mesure que le sang oxygéné pénètre dans le muscle, l'O2 se déplace de l'endroit où la concentration est la plus élevée (dans le sang) à l'endroit où il est le plus bas (dans les cellules musculaires). Dans le même temps, le CO2 se propage des cellules musculaires (où il est plus élevé) au sang (où il est plus bas). La diffusion ne nécessite pas de dépense énergétique. La diffusion de l'eau prend un nom particulier, osmose.

Pour les grosses molécules polaires et les molécules chargées, l'entrée et la sortie de la cellule sont plus difficiles car elles ne peuvent pas traverser la bicouche lipidique. Cette classe de molécules comprend les ions, les sucres, les acides aminés (les éléments constitutifs des protéines) et bien d'autres choses dont la cellule a besoin pour survivre et fonctionner. Pour résoudre ce problème, la cellule dispose de protéines de transport qui permettent à ces molécules d’entrer et de sortir de la cellule. Ces protéines de transport représentent 15-30% des protéines de la membrane cellulaire.

Les protéines de transport se présentent sous différentes formes et tailles, mais elles s’étendent toutes dans la bicouche lipidique et chaque protéine de transport possède un type spécifique de molécule qu’elle transporte. Il existe des protéines porteuses (également appelées transporteurs ou permeases), qui se lient à un soluté ou à une molécule d'un côté de la membrane et le transportent de l'autre côté de la membrane. Une deuxième classe de protéines de transport comprend les protéines de canal. Les protéines des canaux forment des ouvertures hydrophiles («épris de l’eau») dans la membrane pour permettre aux molécules polaires ou chargées de s’écouler. Les protéines des canaux et les protéines porteuses facilitent le transport dans et hors de la cellule.

Les molécules peuvent voyager à travers les protéines de transport d'une concentration élevée à une concentration inférieure. Ce processus est appelé transport passif ou diffusion facilitée. Elle est similaire à la diffusion de molécules non polaires ou d’eau directement à travers la bicouche lipidique, sauf qu’elle nécessite des protéines de transport..

Parfois, une cellule a besoin d'éléments de l'environnement présents en très faible concentration à l'extérieur de la cellule. Alternativement, une cellule peut nécessiter des concentrations extrêmement faibles d'un certain soluté à l'intérieur de la cellule. Alors que la diffusion permettrait aux concentrations à l’intérieur et à l’extérieur de la cellule de se déplacer vers l’équilibre, un processus appelé transport actif aide à concentrer un soluté ou une molécule à l'intérieur ou à l'extérieur de la cellule. Le transport actif nécessite une dépense d'énergie pour déplacer une molécule contre son gradient de concentration. Il existe deux formes principales de transport actif dans les cellules eucaryotes. Le premier type consiste en pompes à ATP. Ces pompes utilisent l'hydrolyse de l'ATP pour transporter une classe spécifique de soluté ou de molécule à travers la membrane afin de la concentrer à l'intérieur ou à l'extérieur de la cellule. Le second type (appelé cotransporteurs) couple le transport d’une molécule contre son gradient de concentration (de bas en haut) avec le transport d’une deuxième molécule le long de son gradient de concentration (de haut en bas).

Les cellules utilisent également le transport actif pour maintenir la concentration appropriée en ions. La concentration en ions est très importante pour les propriétés électriques des cellules, car elle permet de contrôler la quantité d'eau contenue dans les cellules et d'autres fonctions importantes des ions. Par exemple, les ions magnésium (MG2 +) sont très importants pour de nombreuses protéines impliquées dans la réparation et la maintenance de l'ADN. Le calcium (Ca2 +) est également important dans de nombreux processus cellulaires, et le transport actif aide à maintenir un gradient de calcium de 1/10 000. Le transport des ions à travers la bicouche lipidique dépend non seulement du gradient de concentration, mais également des propriétés électriques de la membrane, où des charges similaires se repoussent. La pompe à sodium-potassium ATPase ou Na + -K + maintient une concentration plus élevée de sodium à l'extérieur de la cellule. Près du tiers des besoins en énergie de la cellule est consommé dans cette entreprise. Cette dépense d'énergie énorme pour le transport actif des ions confirme l'importance de maintenir un équilibre des molécules dans le bon fonctionnement des cellules.

Résumé

Osmosis est la diffusion passive de l'eau à travers la membrane cellulaire et ne nécessite pas de protéines de transport. UNEtransport actif est le mouvement des molécules contre leur gradient de concentration (de faible à élevé) ou contre leur gradient électrique (vers une charge similaire) et nécessite des transporteurs de protéines et l'énergie ajoutée, soit par hydrolyse de l'ATP, soit par couplage avec le transport en aval d'un autre soluté.