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 La membrane cellulaire contrôle les échanges

Un des premiers scientifiques à avoir compris que le fonctionnement des cellules dépendait, en partie, des propriétés de sa membrane cytoplasmique, frontière entre la cellule et son milieu, fut René Dutrochet (1776-1847). Il plaidait avec force pour l'unité de la physiologie dont les lois, pensait-il, devaient s'appliquer aussi bien aux animaux qu'aux végétaux et n'être pas différentes de celles qui régissent la physique et la chimie. Nous savons maintenant que cette idée était juste et l'application raisonnée de ces lois a conduit aux développements les plus modernes des technologies biomédicales. L'une d'entre elles, qui sauve quotidiennement la vie de milliers de personnes, est le "rein artificiel" dont la terminologie correcte est appareil d'hémodialyse. Cet appareil permet d'éliminer du sang certains déchets toxiques comme l'urée tout en en conservant les constituants essentiels. Il met en pratique un principe de fonctionnement commun à toutes les cellules vivantes.

Le contenu des cellules possède une composition chimique assez différente de celle de la matière minérale. Il est notamment très riche en grosses molécules organiques (macromolécules) qui forment la structure même de la cellule et assurent son fonctionnement. Chaque cellule doit conserver ces grosses molécules élaborées en permanence à partir de petites molécules prélevée dans le milieu. Parallèlement, les déchets du fonctionnement cellulaire doivent quitter la cellule. Une cellule doit donc en permanence contrôler ses échanges avec son milieu. Dutrochet montra qu'une membrane biologique placée entre deux solutions différentes était capable d'en séparer les substances dissoutes en fonction de la dimension de leurs molécules et des différences de concentration de part et d'autre de la membrane. Thomas Graham, physicochimiste écossais (1805-1869), mettra en application ce principe sur lequel repose l'hémodialyse : une membrane, même artificielle, laisse passer l'urée, petite molécule déchet du fonctionnement de l'organisme, mais se comporte comme une barrière infranchissable pour les grosses molécules biologiques comme le fait le rein. Chaque cellule se comporte comme un microdialyseur et conserve ainsi ses grosses molécules tandis que les molécules plus petites traversent facilement la membrane. Nous savons maintenant que la membrane des cellules est autrement plus complexe qu'une membrane de dialyse mais, pour le moment, nous nous limiterons à l'observation de ces propriétés élémentaires.


L’EXPÉRIENCE

CONSTRUIRE UN DIALYSEUR

Nous allons pour cela construire un dialyseur, simple mais efficace, et, par surcroît, équipé d'une membrane garantie biologique.

Matériel nécessaire

Œuf, maïzena, teinture d'iode ou alcool iodé (ou demander au pharmacien de préparer une solution contenant 1 g d'iode et 2 g d'iodure de potassium dans 100 ml d'eau). Pince à épiler, petit flacon genre petit pot pour bébé d'ouverture telle qu'il puisse servir de coquetier.

Préparer une solution d'amidon : remplir un verre de table avec de l'eau (environ 100 ml). En verser les 3/4 dans une petite casserole et porter à ébullition. Pendant ce temps, prendre un quart de cuillère à café de maïzena et la mélanger avec ce qui reste d'eau froide dans le verre à l'aide de la cuillère à café. Lorsque l'eau arrive à ébullition, arrêter le chauffage et verser le mélange maïzena-eau froide dans l'eau bouillante, cuillérée à café par cuillérée à café en mélangeant à chaque fois. Laisser refroidir.

Préparation du dialyseur

Casser un oeuf en deux avec un couteau en donnant un coup sec de façon à obtenir deux moitiés proprement séparées (récupérer éventuellement le contenu pour le manger). Tenir la moitié la moins pointue dans l'anneau formé par le pouce et l'index, surface de l'œuf vers le haut. Saisir la pince à épiler par la pointe et taper franchement sur le sommet de l'œuf avec l'autre extrémité de la pince pour y provoquer des cassures sans enfoncer de fragment de coquille dans la membrane sous-jacente (le but étant d'obtenir une partie de l'œuf avec la membrane intacte mais sans coquille, c'est la partie délicate de l'opération). Enlever avec la pince à épiler un ou deux fragments de coquille pour mettre une partie de la membrane à nu sans la léser.

FIGURE 1 

Vérifier que la membrane n'est pas percée en mettant un peu d'eau au fond de la coquille. Aucune goutte ne doit couler. Sinon, refaire l'essai sur l'autre moitié de l'œuf.

Mise en marche de l'expérience
Remplir le flacon avec la solution d'amidon après avoir vérifié que son ouverture permet d'y placer l'œuf. Mettre au fond de la coquille une petite quantité de teinture d'iode et diluer éventuellement avec de l'eau pour que le fond de l'œuf reste visible. Poser l'œuf sur le flacon : la membrane doit être en contact avec la solution d'amidon. L'iode réagit avec l'amidon en formant un complexe coloré en bleu foncé. Nous allons mettre cette propriété à profit pour suivre le mouvement des molécules à travers la membrane : si les molécules d'iode et celles d'amidon entrent en contact, on observera l'apparition d'une coloration bleue. Dans notre montage, au bout de quelques minutes, on voit apparaître une coloration bleue qui s'échappe de l'œuf au niveau où la membrane est en contact avec l'amidon et forme une sorte de colonne bleue dans la solution d'amidon (voir photo ci-dessous).

FIGURE 2 

L'iode a donc traversé la membrane et diffuse dans la solution d'amidon comme le révèle la coloration. En revanche, à l'intérieur de la coquille d'œuf, aucune coloration bleue n'apparaît. L'amidon n'a donc pas traversé la membrane et ne s'est pas mélangé à l'iode (Voir figure 3).

FIGURE 3 

Ainsi, la membrane de l'œuf se comporte-t-elle comme la membrane des cellules : sa perméabilité est sélective ce qui permet aux cellules de conserver les grosses molécules qu'elles ont élaborées (comme l'amidon dans le modèle) et de laisser entrer les petites molécules qu'elles utilisent ou de laisser sortir les petites molécules, déchets de leur fonctionnement (comme l'iode dans le modèle). On pourra vérifier que le modèle fonctionne dans les deux sens en plaçant la solution iodée dans le flacon et la solution d'amidon dans l'œuf. Prévoir alors ce qui se passera et contrôler qu'il en est bien ainsi...

Dutrochet ne s'est pas contenté de mettre en évidence les mouvements de substances dissoutes et d'eau à travers les membranes biologiques. Il a inventé un appareil, l'osmomètre, permettant de mesurer la force avec laquelle se font ces flux et a démontré que la force exercée est d'autant plus forte que les molécules sont de petite taille et qu'elles sont en plus grand nombre. Il a pu de cette manière mesurer les masses des molécules. Ainsi, les lois physico-chimiques, comme celles de la diffusion, auxquelles obéissent les substances en solution, s'appliquent également aux substances constituant les cellules vivantes et expliquent certaines de leurs propriétés. Les membranes sont présentes non seulement à la périphérie de la cellule mais aussi à l'intérieur où elles séparent divers compartiments aux fonctions bien définies, les organites cellulaires.

Diffusion et dialyse

Lorsqu'une substance quelconque est dissoute dans l'eau, elle tend à occuper le maximum d'espace disponible (c'est à dire l'espace d'où elle est absente) en raison de l'agitation continuelle des molécules, de même qu'un gaz tend à occuper tout le volume disponible. C'est la diffusion. Si une membrane sépare un volume d'eau pure d'un volume contenant une substance dissoute dans l'eau, les molécules vont tendre aussi à occuper le maximum d'espace disponible et si la membrane laisse passer ces molécules, elles vont diffuser vers la zone où elles sont les moins nombreuses jusqu'à ce qu'il y ait le même nombre de molécules de part et d'autre de la membrane. La vitesse de passage est d'autant plus rapide que la différence de concentration est plus élevée et que les molécules sont plus petites (il y aura en effet davantage de molécules pour une même quantité de matière dissoute si les molécules sont plus petites). Ce phénomène s'appelle l'osmose. Si on a un mélange de grosses et de petites molécules, seules les petites molécules traverseront la membrane, cette dernière agissant comme un filtre et elles se sépareront alors des grosses molécules : c'est la dialyse.

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