I) L'osmose chez les êtres vivants

     A) Principe de l'osmose

Qu'est-ce que l'osmose ?

Osmose : Le terme osmose vient du grec ôsmos : poussée, impulsion. L'osmose est un phénomène de diffusion 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 d'unemembrane semi-perméable (qui est perméable à l'eau mais non aux grosses molécules de cette solution). La solution *hypertoniquese dilue progressivement, alors que la solution *hypotoniqueperd de l'eau et se concentre. Le phénomène s'arrête lorsque les deux solutions sont isotoniques (pressions osmotiques égales). La pression de la solution hypotonique à alors atteint sa valeur limite, dite pression osmotique. Le résultat final est une dilution du milieu le plus concentré. Autrement dit, l'osmose est la diffusion d'un solvant à travers unemembrane semi perméable qui sépare 2 solutions de concentrations différentes. C'est osmose qui crée progressivement l'égalité de concentration des deux côtés dela membrane semi-perméable.

L'osmose

Observant une plaie sur la queue d'un poisson, Dutrochet vit des filaments ayant à leur extrémité depetites capsules qu'il immergea dans un verre de montre et examina au microscope. Cescapsules, contenant un liquide visqueux, se remplissaient d'eau par l'extrémité *proximalesans être déformées, tandis que le liquide visqueux était expulsé par lepôle *distal, comme si l'eau jouait lerôle de piston. Dix ans plus tard, il fit la même observation sur des sacs spermatiques de limaceimmergés. Le courant expulsif cesse dès que l'enveloppe est vidée de son contenu et que l'eaupénètre par l'ouverture distale. Dutrochet conclut que l'eau est attirée par le liquide *endocavitaireà travers la paroi descapsules ou des sacs spermatiques.

L'osmomètre de Dutrochet

Un pas décisif quirattacha ce mouvement deliquides à leurdifférence decomposition fut franchi avec l'expérience suivante. Un *cæcumdepouletlié en bourse, rempli d'une solution deNaCl ou de gomme, immergé dans l'eau, gonfle et augmente de poids. Les solutions étant inversées, le mouvement de l'eau se fait dans le sens contraire, l'eau dusac cæcal passant dans le bain extérieur. La paroi n'a donc pas de polarité. L'osmose, ou endosmose, phénomènerapide où la solution concentrée attire l'eau, rien que l'eau, fut un temps opposé à l'exosmosedue à la diffusion transmembranaire de solutés entraînant un retour d'eau dans lecompartiment d'origine lié aux modifications physico-chimiques des solutions initiales. L'osmomètre construit par Dutrochet permit de mesurer et d'étudier le phénomène afin deprévoir son rôle en physiologie.

Pression osmotique : La notion de pression osmotique fut introduite par le médecin français René Dutrochet, en 1826. Elleest définie comme étant la différence de pression quis'exerce de part et d'autre d'unemembrane semi-perméable séparant deux solutions du même solvant et du même soluté, mais de concentrations C1 et C2 différentes. Ainsi, la pression osmotique, due ausecond principe de la thermodynamique*, indiquela facilité avec laquelle la solution concentrée attire le solvant par le phénomène d'osmose. Dans le cas de solutions faiblement concentrées, la pression osmotique est donnée par :

P=(C1-C2)RT/V

Rétant la constante des gaz parfaits (R = 8,31 J/K.mol)

V le volume molaire du solvant (volume occupé par une mole)

T la température en kelvins.

 Lorsque l'une des solutions est le solvant pur, on peut appliquer la loi desgaz parfaits : P=nRT/V, n étant le nombre de moles de soluté et V le volume de la solution contenant le soluté. À une température donnée, la pression osmotiqueest donc proportionnelle à la concentration de la solution (n/V). La détermination de la pression osmotique et la loi deVan't Hoff servent à déterminer la masse molaire du soluté. 
Le principe de l'osmose doit être respecté dans de nombreux cas : perfusions, concentrations des engrais pour les végétaux ... Dans cetexemple, on parle *d'osmonocivité.

                                                                                                                                                                                      
Prenons unexemple naturel : Le poisson

Dans l'eau de mer, il y a plus desel dans l'eau que dans le corps du poisson. Celui-ci a donc tendance à perdre son eau. Il a donc unepeauimperméable à l'eau. Il ne boit que par ses branchies et les muqueuses de sabouche capables de filtrer lesel. Ainsi, il compense la perte en rétablissant l'équilibre.

eau salée

    
Dans l'eaudouce, c'est l'inverse. L'eauà tendance à gonfler le poisson. Cette eau est absorbée par l'organisme à l'aide de ses branchies et de sapeau, jouant alors lerôle demembrane semi-perméable et il élimine l'eauavec ses reins. Il compense ainsi l'apport de l'eau de son milieu . eau douce


       B) L'osmose chez les végétaux

Lorsqu’on observe uncellule d’oignon au microscope, on voit que le cytoplasme est plaqué contre la paroi cellulaire par une *vacuolegorgée d’eau. Cette cellule est qualifiée de *turgescente, c’est unecellule quiest en pleine croissance. Puis lorsquequ’on placeces cellules dans une solution hypertonique donc dans une solution plus concentrée en substances dissoutes que lecontenu cellulaire, elles subissent une perte d’eau importante et se rétractent : le cytoplasme sedécolle dela paroi cellulaire. La cellule est qualifiée deplasmolysée. Une *plasmolyse prolongée engrange la mort dela cellule. On retrouve ici le phénomène d’osmose.

La paroi cellulaire empêche la cellule d'éclater

Quand on place unecellule turgescente danssolution glucidiques elle devientplasmolysée, puis des enzymes agissent sur la paroi etla dissolvent. Le protoplaste est alorsdélivré. Il est stable dans la solution deglucides mais une fois mis dans l’eau, il gonfle et éclate.

Qu'est ce que la pression de turgescence ?

Pression de turgescence : pression exercée sur la paroi cellulaire par le liquide vacuolaire quiplaque lecytoplasme contre son enveloppe.

La plasmolyse ou osmose peu s’inverser. Lorsqu’on plonge unecelluleplasmolysée dans de l’eau, la vacuole est nettement plus hypertonique par rapport au milieu environnant. L’eauà donc tendance à rentrer dansla cellule jusqu’à ce quela paroi cellulaire rigides’oppose à une entrée d’eau supplémentaire, le liquidevacuolaire exerce alors sur la paroi une pressionéquilibrée par la résistance decelle-ci. Cette pression est le moteur del’allongement cellulaire ; elleexerce la forcemotricenécessaire à l’étirement plastique de la paroi. Cette pression donne dela rigidité aux parties souples de la plante, comme les feuilles, la tige ... Donc lorsque lescellules sontplasmolysées, lesparties souplent de la plante se fanent. L'état deturgescence est normalement constant c'est ce qui régénère les ressources en eau de la plante.

L'auxine, une hormone

L’auxine a été la première hormone végétale miseen évidence. Grâce à des expériences deDarwin en 1881 sur la courbure descoléoptiles d'avoine vers la lumière (phototropisme). C’est une enzyme végétale synthétisée dans le méristème apical destiges. Elle est synthétisée à partir d’unacideaminé. Une fois fabriquée, elle migre vers lescellulesciblesdont elle modifie le fonctionnement.

- L’auxine a pour action de déstabiliser la paroi par rupture de liaisons entre lesfibrilles decellulose. La paroi devient alors plus relâchée et peut s’étirer si la pression deturgescenceest forte, permettant ainsi la croissance cellulaire.
- Sur le plus long terme, l’auxine agit également surl’activité génétique. Elle active certains gènes impliqués dans les phénomènes decroissance. Pour ce faire, l’auxine induit uneplus grande transcription des gènes deprotéines liées à la croissance cellulaire etpermet donc unesynthèse plus active de ces protéines.

  Un éclairement latéral decoléoptiles d’avoine entraîne une courbure deces coléoptiles versla lumière. Ceci s’explique par le fait que l’auxine migre du côté éclairé vers lecôté sombre. Celle-ci favorisant la croissance, le côté sombre croît plus vite que le côté éclairé et lecoléoptile, en grandissant, se dirige vers la lumière.

Schéma représentant des cellules turgescentes et plasmolysées

 
En quoi l'osmose a unrôle important chez les végétaux ?

Le principe de l'osmose est important chez les végétaux, notamment pour la concentrations des engrais. L'osmosepermet d' équilibrer les concentrations en sels minéraux entre le sol et la plante. Dans les plantes, les *radicellesdes racines laissent les minéraux en dissolution dans l’eau pénétrer lesystème racinaire mais empêchent lesparticules de saletés de passer.

L   

Les cellules situées dans lesradicelles des racines des plantes contiennent unesolution dense de sels etd’acides organiques. Cette solution est plus forte que la concentration de sels en dissolution dans l’eau dans le sol. Une forte pression osmotique est exercée, et, elle agit à partir dela solution faible à travers les membranes descellules pour semélanger avec la solution dense.
Le processus de l’osmose se maintient ou se poursuit decellulesen cellules de manière à ce que les sels minéraux en dissolution dans l’eau du sol entrent dans les racines des plantes et éventuellement se déplacent à travers toute la plante.
L’osmosepeut également fonctionner en sens inverse et tuer une plante. Dans le cas d’un apport important d’engrais autour d’une plante, créant ainsi une situation où la solution dans le sol est plus forte que dans la plante, il en résultera que la plante perdra son eau, flétrira et bientôt s’asséchera complètement.

 Les racines agissent en quelque sorte comme une pompe. Cette condition a pris le terme de “pressionracinaire”et accélère le développement du reste de la plante.On comprend ainsi que la plupart desplantes ne s'accommodent pas aux sols salés. Les rares plantes capables de cetteperformance sont obligées de réaliser un travail de "pompage" au prix d'unedépenseénergétiqueconsidérable pour contrebalancer les effets deslois physicochimiques. Là où la concentration en ions dans le sol est très élevée, l’eau quitte les poils absorbants, dont le contenu est plus dilué. La plante, qui ne peut plus absorber d’eau, meurt.Les milieux salins présentent donc une flore particulière, seuls peuvent s’y développer des végétaux avec des adaptations spécifiques (salicorne, tamarix…). Ils survivent en accumulant unegrande quantité desel dansleurs vacuoles , detelle sorte que le contenu de leurs poils absorbants soit encore plus concentré que la solution du sol. Ainsi l’eau suit bien son cours, du sol vers les racines. Il est donc aisé de comprendre ce qui se passe lors d’une fertilisation trop abondante. La concentration est alors plus forte dans le substrat que dans le végétal, l’eau va quitter la plante, provoquer des brûlures, flétrissements, déformations, voire la mort. Solution en cas de sur fertilisation: Arroser longtemps, pour lessiver le substrat.

  En *hydroponique, la mesure constante de la concentration des sels minéraux offre une solution adéquate au bon développement de la plante. De cette façon, il n’y a pas d’assèchement. Par cette culture, les plantes reçoivent la solution nutritive en qualité et quantité nécessaire et peuvent même se développer jusqu’à un point qui n’est pas atteint dans la nature. Les racines sontnourries à l'extrême, elles accumulent une quantité maximale de sels minéraux. En effet, la solution des sels contenue dans les racines est si forte que la capacité descellules d’absorber l’eau s’accroît.

 C) L'osmose chez les animaux


Dans l'organisme, toutes lescellules vivantes jouent lerôle demembrane semi-perméable par rapport au liquide danslequel elles baignent. Comme nous l'avons vu précédemment , l'osmose est un phénomène qui consiste en un échange de liquide d'une solution hypotonique à une solution hypertonique à travers unemembrane semi-perméable. Mais comment se principe agit il à l'intérieur d'un organisme vivant ?

 Que ce soit la plus petite unité de vie comme une bactérie ou unorganisme pluricellulaire tel que l'homme qui est formé de plusieurs milliards decellules , ce qui distingue les êtres vivants de la matière inerte est sa capacité à échanger de la matière et de l'énergie avec son milieu. Les substances qui peuvent être échangées sont variées et dépendent du type cellulaire. Mais les substances lesplus susceptibles d'être échangées sont principalement l'eau et dessels minéraux car chaquecellule doit avoir uncontenu en sel et en eau avoisinant une valeurstable appelée pressionisotonique. Les cellules étant délimitées par une membrane plasmine à traverslaquelle se réalise des échanges , c'est cette membrane qui va faire office demembrane semi-perméable dansl'organisme à l'échelle cellulaire. Toutefois, la membrane ne laisse pas passé que de l'eau et dessel minéraux , elle laisse également passé certaines molécules organiques comme certains sucres ou certains acides aminées. Mais pour ce genre de substances, la membrane a des types de transport particuliers très coûteux en énergie. Les échanges par osmose se font donc au niveau descellules mais suivant la spécificité deces cellules etsuivant l'endroit ou elles se trouvent dans l'organisme, le phénomène de l'osmose n'aura pas la même action. Nous allons étudier un endroit précis du corps ou la manifestation de l'osmose est importante : le rein.

 Lorsque l'entrée d'eau se fait dans unecellule animale, on dira plutôt quela cellule est lysée et non pas turgescente, allant parfois même jusqu'à l'éclatement et la mort dela cellulesi celle-ci est placée dans une solution très hypotonique. Cet éclatement est dû au fait quela cellule animale ne possède pas de paroi.

La pression osmotique du plasma sanguin est d'environ 8 bars à 37°C (310 mosmol.L-1), due surtout aux ions chlore et sodium (250 mOsm/1). Les globules rouges sont en équilibre osmotique avec le plasma. La membrane plasmique étant tout à fait perméable à l'eau, l'eau pénétrera ou sortira descellules dans le sens de son *gradient de concentration.

Hémolyse ou endosmose :Un globule rouge placé dans l'eau pure subit une pression osmotiqueconsidérable. En absence de contre-pression appliquée dans le cytoplasme, l'eau pure (hypotonique) diffuse vers l'intérieur dela cellule (hypertonique) à travers la membrane. L'entrée massive d'eau dans l'hématie entraîne le gonflement puis l'éclatement du globule rouge.

Plasmolyse ou exosmose :Réciproquement, 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 et donc le phénomène deplasmolyse .

 

 

Ce phénomène est également utilisé dans les techniques de dialyse rénale. La dialyse est un procédé thérapeutique temporaire ou définitif, appelé également épuration extra rénale ou rein artificiel, permettant d'éliminer lestoxines (urée, acide urique) et l'eau qui sontcontenues en trop grandes quantités dans le sang. Habituellement, cerôle est dévolu aux reins. En cas d'insuffisance rénale, ceux-ci ne peuvent plus assurer cette fonction et maintenir l'organisme dans un équilibre en eau, sodium, potassium calcium aussi parfait que possible. La pression osmotique s'exprime en mm de mercure. La pression oncotique*, quant à elle, exprime le degré defacilité avec lequel les protéines qui sont mises en solution dans un milieu attirent l'eau. Il s'agit également d'une pression osmotique mais ici les éléments dissous dans l'eau sont les protéines. Dans l'organisme, si la concentration des protéines dans le plasma (partie liquide du sang) diminue à la suite entre autres d'une dénutrition résultant d'une alimentation pauvre en protéines, l'eau s'accumule dans les tissus et provoquela formation d'œdème.Ce principe de l'osmose doit être respecté dans de nombreux cas : perfusions, concentrations des engrais pour les végétaux... Dans cetexemple, on parled'osmonocivité, car l'injection intraveineuse d'un soluté de concentration différente decelle du sérum sanguin provoque une pathologie (l'hémolyse). Les deux solutions doivent etre isotoniques.

L'osmose est donc présente dans tout le corps humain, mais en particulier dans le rein qui est un organe vitale pour tout les êtres vivants. Le rein est un organe normalement présent en double exemplaire il est situé dans l'abdomenen arrière du péritoine*, suivant une symétrie plus ou moins bilatérale.


 

Le rein est un organe du corps allant par paire qui est chargé de la filtration du sang et de l'excrétion de l'urine. C'est un organe appelé organe de détoxication comme le foie ou le poumon. Il est le plus souvent situé en arrière du péritoine suivant une symétrie plus ou moins bilatérale. Chez l'homme, le rein est un organe aplati, ovoïde dont la face externe est convexe, sa hauteur est de 12 centimètres , sa largeur de 6 centimètres et son épaisseur de 3 centimètres .Ces mesures sont très importantes car un rein fonctionnant mal va s'atrophier. Bien qu'allant généralement par paire, un seul rein suffit pour vivre les personnes naissants avec un seul rein conservant généralement le rein lemieux vascularisé. Le rein est en effet un organe très vascularisé par les artères et les veines rénales qui penetrent au coeur du rein par une échancrure (appelée hile) située sur la face concave  et se ramifient ensuite à l'intérieur de celui-ci. L'unité structurelle de base du rein est le néphron qui est constitué par un tubule*mince avec un amas de capillaires appelés *gloméruleentourées d'un bulbe creux, la *capsule de Bowman celle-ci amène à un long tubule entortillé en deux parties le tubule contourné proximal, l'anse de Henle, le tubule contourné distal et le tube collecteur.

Le tubule proximal participe à la réabsorption de certaines substances. La réabsorption tubulaire possède deux mécanisme de transport : un passif basé sur le principe d'osmose, et un actif qui nécessite un travail cellulaire (transport de glucose et de sodium). Le tubule possède des transporteurs qui récupèrent et renvoient certaines molécules dans le milieu sanguin comme le glucose qui est filtré intégralement par le glomérule et se retrouve dans l'urine primitive. Ce glucose est normalement réabsorbé et absent de l'urine finale mais il ne le sera pas si sa concentration est supérieure à 1,70 g/L qui est la concentration de seuil. Le tubule contourné proximal est le lieu de ce qu'on appellela réabsorption obligatoire elle a pour but de réaliser 99% du filtrat glomérulaire.

Cette réaction a lieu pour l'eau et le sodium (la réabsorption active du sodium associe une réabsorption passive de l'eau selon un phénomène d'osmose). La réabsorption facultative sefait quand à elle grâce à deux hormones. La première decelles-ci est l'ADH. C'est une hormone antidiurétique qui augmente la perméabilité du tube collecteur et favorise la réabsorption de l'eau grâce à des protéines transmembranaires appelées aquaporine*. L'ADH influence donc la concentration de l'urine secretée ainsi que la pressionartérielle. Cette hormone est davantage sécrétée lors d'une hypovolemie*car cela permet d'augmenter la réabsorption de l'eau dans le sang pour pallier une hypotension.

La deuxième de ces hormones est l'aldostérone qui favorise la réabsorption active du sodium dans le tube contourné distal et ainsi une réabsorption passive de l'eau. Elle a pour but d'ajuster la composition de l'urine pour répondre aux besoin de l'organisme. Ce mécanisme se met en route en cas d'hypotension liées à l'hypo-volémie en cas de déshydratation. A côté de cette réabsorption tubulaire existe une sécrétion tubulaire quipermet le passage de molécules du sang vers lefiltrat. Ellepermet d'éliminer dans l'urine des éléments indésirables ou en excès qui ont été insuffisamment filtrés par le glomérule. Ce mécanisme est comparable à celui de la réabsorption.

L'anse de Henle est la section du néphron conduisant le tubule proximal au tubuledistal. Elle a un diamètre de 12 micromètre. La concentration des urines se fait proportionnellement en fonction de la longueur de l'anse. En effet, plus celle-ci est longue, plus l'urine est concentrée. L'anse de Henle est constituée de plusieurs branches : la branche descendante, la branche ascendante mince , la branche ascendante épaisse médullaire et la branche ascendante épaisse corticale. Toutes ces branches sont imperméables à l'eau et perméables au sodium ce qui entraine une diminution de l'osmolarité. C'est au niveau du tubule distal que se fait la sécrétion d'une hormone phare: la rénine qui contrôlela tension artérielle dans le rein. Ce tubule participe à l'élaboration de l'urine finale. Il permet la réabsorption si nécessaire du sodium et du chlore. Mais il y a par ailleurs à ce niveau une toute petite réabsorption d'eau, car la perméabilité du tubuledistal est encore très faible. L'urine qui quitte le tubule distal est donc toujours une urine peu concentrée. Le tubule distal permet également la réabsorption controlée du calcium sous l'effet de deux hormones qui sont : l'hormone parathyroïdiènne*et le calcitriol qui sont sous l'influence de la vitamine D . L'hormone parathyroïdiènne augmente la réabsorption régulée du calcium tandis que la calcitriol diminue cette réabsorption. A l'autre bout du tubule distal se trouve le tubule collecteur cortical. Chaque être humain possède environs un million de néphrons, mais ce nombre varie d'un être humain à un autre en fonction de l'âge gestationel, des éventuels retard de croissance intrat-utérins ainsi que de l'état nutritionnel maternel. La capsule de Bowman va recevoir l'ultra filtrat du plasma filtré par la paroi du glomérule. Le liquide contenu dans cette capsule constitue l'urine primitive qui sera modifiée pas la suite dans le reste du néphron.

 

Ce phénomène est également utilisé dans les techniques de dialyse rénale. La dialyse est un procédé thérapeutique temporaire ou définitif, appelé également épuration extra rénale ou rein artificiel, permettant d'éliminer lestoxines (urée, acide urique) et l'eau qui sontcontenues en trop grandes quantités dans le sang. Habituellement, cerôle est dévolu aux reins. En cas d'insuffisance rénale, ceux-ci ne peuvent plus assurer cette fonction et maintenir l'organisme dans un équilibre en eau, sodium, potassium calcium aussi parfait que possible.

L'hémodialyse est la méthode la plus couramment utilisée de la dialyse 
utilisé pour des patients gravement malades ou pour des personnes en phase terminal ou ayant besoin d'une thérapie à long terme. Le traitement de ces personnes surviens trois fois par semaine etdure plusieurs heures pendant lesquelles le sang et purifié par principe d'osmose. Mais l'hémodialyse a aussi ses complication dont notamment les maladies cardiovasculaires, insuffisance cardiaque, des douleurs angineuses, de l'anémie et des accidents vasculaires cérébraux. La méthode d'hémodialyse consiste à créer sur le bras du patient une «fistule artério-veuneuse» cela consiste a mettre une veine au contacte d'une artère, ce qui va la dilater et la rendre solide.

Cela nécessite une petite opération qui permettra à la veine d'être piquée facilement. L'hémodialyse nécessite 3 éléments:

-Le dialyseur ou rein artificielle dans lequel il y a une membrane de dialyse sous forme de fibre creuse, ou de plaques. Dans le dialyseur, le circuit sang et le dialyseur sont séparés par la membrane.

-Le circuit sang qui est formé par un tuyau qui amène le sang audialyseur (ligne artérielle surlaquelle il y a une pompe) et d'un tuyau qui ramène le sang à la fistule (ligne veineuse surlaquelle il y a un piège à bulles). Ces tuyaux sont reliés à des aiguilles qui ont été piquées dans la fistule en début de séance.

-Le dialysat qui est un liquide fabriqué par une machine qui a une composition proche decelle du sang. Il va circuler dans le et va se charger d'évacuer l'urée, le phosphore, la créatine...

 

Une autre forme de dialyse est la dialyse péritonéale qui est utilisée pour les patients qui sontincapables ou refuse de se soumettre à une hémodialyse. A l'inverse du procédé d'hémodialyse qui utilise un appareillage decirculation extra-corporelle, l'épuration sanguine par dialyse péritonéale s'effectue à l'intérieur de l'organisme, au sein de la cavité péritonéale. Le péritoine (membrane péritonéale) fait fonction de filtre. Cette technique repose sur l’apport d’un soluté de dialyse dans la cavité abdominale grâce à un cathéter. Le soluté doit être renouvelé au moins 4 fois par jour et cechaque jour. Cette technique peut être appliquée à domicile.

Aprés avoir étudié lesprincipe de l'osmose dans le corp humain et dans les végétaux, nous allons maintenant parler de l'osmoseinverse et de ses applications.

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