La différence entre l’osmose et le transport actif
Une cellule a de nombreux besoins pour croître et se répliquer, et même les cellules qui ne sont pas en croissance ou se répliquent activement ont besoin de nutriments de l'environnement pour fonctionner. Bon nombre des besoins de la cellule sont des molécules qui se trouvent à l'extérieur de la cellule, y compris l'eau, les sucres, les vitamines et les protéines.
La membrane cellulaire a d'importantes fonctions protectrices et structurelles, et elle agit pour garder le contenu cellulaire séparé de l'environnement extérieur. La bi-couche lipidique de la membrane cellulaire est composée de phospholipides, qui ont des queues hydrophobes (solubles dans l'huile,"craignant l'eau") qui forment une barrière à de nombreux solutés et molécules dans l'environnement. Cette caractéristique de la membrane cellulaire permet à l'environnement interne de la cellule de différer de l'environnement externe, mais agit également comme une barrière majeure à l'absorption de certaines molécules de l'environnement et à l'expulsion des déchets.
La bicouche lipidique ne pose cependant pas de problème pour toutes les molécules. Hydrophobes (ou solubles dans l'huile), les molécules non polaires peuvent se répandre librement à travers la membrane cellulaire sans entrave. Cette classe de molécules comprend des gaz tels que l'oxygène (O2), le dioxyde de carbone (CO2) et l'oxyde nitrique (NO). Les molécules organiques hydrophobes de plus grande taille peuvent également traverser la membrane plasmatique, y compris certaines hormones (comme l'œstrogène) et des vitamines (comme la vitamine D). Les petites molécules polaires (y compris l'eau) sont partiellement entravées par la bicouche lipidique, mais peuvent quand même passer à travers.
Pour les molécules qui peuvent librement traverser la membrane cellulaire, leur concentration dépend de leur capacité à entrer ou à sortir 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 faible) est appelée diffusion. Cela signifie que les molécules s'écoulent hors de la cellule si le nombre de molécules à l'intérieur de la cellule est plus élevé qu'à l'extérieur. De même, s'il y a plus de molécules à l'extérieur de la cellule, les molécules s'écouleront dans la cellule jusqu'à ce qu'un équilibre soit atteint. Prenons par exemple une cellule musculaire. Pendant l'exercice, la cellule convertit l'O2 en CO2. Lorsque le sang oxygéné pénètre dans le muscle, l'oxygène passe de l'endroit où la concentration est plus élevée (dans le sang) à l'endroit où elle est plus faible (dans les cellules musculaires). En même temps, le CO2 quitte les cellules musculaires (où il est plus élevé) pour se rendre dans le sang (où il est plus bas). La diffusion ne nécessite pas de dépense énergétique. La diffusion de l'eau est appelée osmose.
Pour les molécules polaires plus grosses et les molécules chargées, il est plus difficile d'entrer et de sortir de la cellule, car elles ne peuvent pas passer à travers la bicouche lipidique. Cette classe de molécules comprend les ions, les sucres, les acides aminés (les éléments constitutifs des protéines) et bien d'autres éléments dont la cellule a besoin pour survivre et fonctionner. Pour résoudre ce problème, la cellule a des protéines de transport qui permettent à ces molécules de se déplacer dans la cellule et de sortir de celle-ci. Ces protéines de transport constituent 15 à 30 % des protéines présentes dans la membrane cellulaire.
Les protéines de transport se présentent sous plusieurs formes et tailles, mais toutes s'étendent à travers la bicouche lipidique, et chaque protéine de transport a un type spécifique de molécule qu'elle transporte. Il y a des protéines porteuses (également appelées transporteurs ou perméases) qui se lient à un soluté ou à une molécule d'un côté de la membrane et qui la transportent de l'autre côté de la membrane. Une deuxième classe de protéines de transport comprend les protéines de canal. Les protéines canalisées forment des ouvertures hydrophiles (" aimant l'eau ") dans la membrane pour permettre aux molécules polaires ou chargées de s'écouler à travers la membrane. Les protéines des canaux et les protéines porteuses facilitent le transport à la fois à l'intérieur et à l'extérieur de la cellule.
Les molécules peuvent traverser les protéines de transport d'une concentration élevée à une concentration plus faible. 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 de choses de l'environnement qui sont présentes en très faible concentration à l'extérieur de la cellule. Une cellule peut aussi avoir besoin de concentrations extrêmement faibles d'une certaine solution 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 une solution ou une molécule à l'intérieur ou à l'extérieur de la cellule. Le transport actif nécessite une dépense énergétique pour déplacer une molécule contre son gradient de concentration. Il existe deux formes principales de transport actif dans les cellules eucaryotes. Le premier type est constitué de pompes à entraînement ATP. Ces pompes utilisent l'hydrolyse 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 vers le bas (de haut en bas).
Les cellules utilisent également le transport actif pour maintenir une concentration adéquate d'ions. La concentration d'ions est très importante pour les propriétés électriques de la cellule, en contrôlant la quantité d'eau 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 l'entretien de l'ADN. Le calcium (Ca2+) est également important dans de nombreux processus cellulaires, et le transport actif aide à maintenir un gradient calcique de 1:10 000. Le transport des ions à travers la bicouche lipidique dépend non seulement du gradient de concentration, mais aussi des propriétés électriques de la membrane, où les charges similaires repoussent. La pompe à ATPase ou Na+-K+ de sodium-potassique maintient une concentration plus élevée de sodium à l'extérieur de la cellule. Près d'un tiers des besoins énergétiques de la cellule est consommé dans cette entreprise. Cette énorme dépense énergétique pour le transport actif des ions corrobore l'importance de maintenir un équilibre des molécules dans le bon fonctionnement des cellules.
L'osmose est la diffusion passive de l'eau à travers la membrane cellulaire et ne nécessite pas de protéines de transport. Le transport actif est le mouvement des molécules contre leur gradient de concentration (de faible à forte concentration) ou contre leur gradient électrique (vers une charge similaire) et nécessite des transporteurs de protéines et l'énergie ajoutée, soit par hydrolyse ATP, soit par couplage au transport descendant d'un autre soluté.
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