Fiche de révision : Membranes et compartiments liquidiens

📋 Plan du Cours

1. Eau corporelle et bilan hydrique
2. Compartiments et mesure des volumes
3. Barrières et échanges entre compartiments
4. Unités et diffusion membranaire
5. Diffusion et gradients chimiques
6. Loi de Fick et coefficient de diffusion
7. Transports à travers la membrane
8. Diffusion ionique et potentiel d’équilibre
9. Potentiel de repos membranaire
10. Osmose et pression osmotique
11. Osmolarité et mouvements cellulaires
12. Échanges à travers les capillaires
13. Hypothèse de Starling et œdèmes
14. Osmolarité et tonicité
15. Mouvements d’eau entre compartiments

📖 1. Eau corporelle et bilan hydrique

★ À maîtriser

• L’eau représente 50 à 75 % du poids corporel, avec une proportion qui varie selon la fraction de graisse, le sexe, l’âge et les tissus.

📐 Formule - Le bilan hydrique est nul lorsque $\text{entrées} - \text{sorties} = 0$.

• Les reins adaptent les sorties d’eau aux entrées et contribuent ainsi à l’homéostasie hydrique.

Compléments

📌 Une hydratation constante maintient le poids corporel constant lorsque le bilan énergétique est nul.

• Chez l’adulte, les apports exogènes d’eau par les boissons et les aliments sont de 1 à 2 L par jour.

• Chez l’adulte, les apports endogènes issus du métabolisme représentent environ 500 mL par jour.

• L’oxydation produit les quantités d’eau suivantes :

  • 40 g d’eau pour 100 g de protides
  • 40 g d’eau pour 100 g de glucides
  • 17 g d’eau pour 100 g de lipides

• Les sorties extra-rénales de l’adulte comprennent 400 mL par jour de perspiration insensible par la peau et 400 mL par jour d’évaporation respiratoire.

• Les sorties rénales sont adaptées aux entrées, sont d’au moins 500 mL par jour et peuvent atteindre 1,5 L par heure.

💡 Astuce mémo

Les reins adaptent les sorties aux entrées → bilan hydrique nul

📖 2. Compartiments et mesure des volumes

🔑 Notions clés & Définitions

• Compartiment intracellulaire : Volume cytoplasmique total, c’est-à-dire contenu liquidien de toutes les cellules.
• Compartiment extracellulaire : Liquide interstitiel situé entre les cellules et plasma contenu dans les vaisseaux sanguins.

★ À maîtriser

• Pour mesurer un compartiment, on injecte une quantité connue de traceur, on attend l’équilibre, puis on mesure sa concentration dans un échantillon et on calcule le volume par $V = Q_0/C$.

• Chez l’homme adulte, l’eau totale représente 60 % du poids corporel : 40 % dans le compartiment intracellulaire et 20 % dans le compartiment extracellulaire, dont 16 % interstitiels et 4 % plasmatiques.

Compléments

📌 Un traceur de compartiment doit diffuser de manière homogène uniquement dans le compartiment étudié et ne pas être métabolisé.

📖 3. Barrières et échanges entre compartiments

🔑 Notions clés & Définitions

• Sang total : Représente 7 % du poids corporel et son volume est d’environ 5 L chez l’adulte ; il comprend une phase aqueuse, le plasma, et une phase cellulaire composée d’hématies, de leucocytes et de plaquettes.
• Hématocrite : Pourcentage du volume sanguin total occupé par les hématies.

★ À maîtriser

• La membrane cellulaire sépare le compartiment intracellulaire du compartiment extracellulaire, tandis que la paroi capillaire sépare les compartiments interstitiel et plasmatique.

• La membrane cellulaire est une bicouche lipidique dont les têtes hydrophiles sont orientées vers la surface et les extrémités hydrophobes vers la profondeur.

📌 Les interstices de la paroi capillaire laissent passer l’eau et les ions, mais pas les cellules ni les protéines, qui sont trop grosses.

• Les échanges entre compartiments intracellulaire et extracellulaire se font à travers la membrane plasmique par diffusion ou transport, tandis que les échanges entre plasma et interstitium se font à travers la paroi capillaire par filtration.

Compléments

• La centrifugation sépare les cellules sanguines du plasma : les éléments figurés, plus lourds, se déposent au fond tandis que le plasma reste au-dessus.

• La membrane cellulaire est souple et déformable, mais hydrophobe, imperméable et de haute résistance électrique ; elle permet le maintien de gradients de particules chargées et de gradients électriques.

• Les canaux ioniques sont des protéines transmembranaires qui modifient la perméabilité et les propriétés de la membrane cellulaire.

• La paroi capillaire est constituée de cellules endothéliales et d’une membrane basale, et ses différents types sont plus ou moins fenestrés.

💡 Astuce mémo

Membrane cellulaire : isolante ; paroi capillaire : passoire sélective

📖 4. Unités et diffusion membranaire

🔑 Notions clés & Définitions

• Équivalent : Quotient de la masse molaire par la valence ; il correspond à la masse d’un anion se combinant à une mole de $\mathrm{H^+}$ ou d’un cation se combinant à une mole de $\mathrm{OH^-}$.
• Mole : Unité de quantité de matière ; une mole contient $6{,}022\times10^{23}$ entités, nombre appelé nombre d’Avogadro.

★ À maîtriser

• Pour convertir des mEq en mmol, on divise par la valence ; pour convertir des mmol en mEq, on multiplie par la valence.

📌 Les substances lipophiles traversent la bicouche lipidique par diffusion selon leur gradient de concentration ; les exemples cités sont $\mathrm{O_2}$, $\mathrm{CO_2}$ et les hormones stéroïdes.

Compléments

• La masse atomique est la masse d’une mole d’atomes ; par exemple, la masse atomique de l’isotope $^{16}\mathrm{O}$ est 16 g.

• La masse d’une mole de molécules est la somme des masses atomiques de ses atomes ; une mole d’eau a une masse de 18 g.

📐 Formule - Pour le calcium $\mathrm{Ca^{2+}}$, de masse molaire 40 mg et de valence 2, $1\,\mathrm{mEq}=20\,\mathrm{mg}$.

📌 Les cations sont des ions chargés positivement et les anions des ions chargés négativement.

📖 5. Diffusion et gradients chimiques

🔑 Notions clés & Définitions

• Diffusion : Déplacement irréversible de solvant et de solutés dans un espace où leur distribution est inhomogène, jusqu’à l’homogénéisation des distributions.
• Gradient chimique : Différence de concentration d’un soluté entre des régions de l’espace.

★ À maîtriser

• La diffusion se produit sous l’effet des seules forces thermodynamiques et sans consommation d’énergie.

• Pour un soluté non chargé traversant une membrane perméable, le mouvement brownien donne a priori une probabilité égale de passage dans chaque direction, mais le gradient chimique entraîne un flux net vers l’équilibre.

Compléments

• La diffusion chimique tend à uniformiser le potentiel chimique de chacune des espèces chimiques d’un système.

• L’oxygène, plus concentré dans l’espace extracellulaire, diffuse facilement à travers la bicouche lipidique vers l’intérieur cellulaire.

📖 6. Loi de Fick et coefficient de diffusion

🔑 Notions clés & Définitions

• Flux de matière : Mouvement de matière quantifié en moles par unité de temps.

★ À maîtriser

📐 Formule - Selon la loi de Fick, le débit moléculaire est $M=-D\,S\,\frac{C_1-C_2}{X_1-X_2}$, où D est le coefficient de diffusion, S la surface, C₁ et C₂ les concentrations et X₁−X₂ l’épaisseur de la paroi.

📐 Formule - Selon la loi d’Einstein-Stockes, le coefficient de diffusion est $D=\frac{kT}{6\pi\mu r}$, où k est la constante de Boltzmann, T la température, μ la viscosité et r le rayon du soluté.

Compléments

• Le débit moléculaire dépend de :

  • la différence de concentration
  • la surface membranaire
  • l’épaisseur de la membrane
  • la viscosité du solvant
  • le rayon du soluté
  • la température

• La diffusion augmente avec la température et diminue lorsque la viscosité ou la taille du soluté augmente.

📖 7. Transports à travers la membrane

🔑 Notions clés & Définitions

• Transport actif : Déplace une ou plusieurs molécules ou ions à travers la membrane contre leur gradient électrochimique, avec dépense d’énergie provenant notamment de l’hydrolyse de l’ATP.

★ À maîtriser

• La membrane plasmique permet le transport des solutés hydrophiles et de l’eau par des protéines transmembranaires.

• 🔄 Le transport facilité se déroule ainsi :

  1. Le transporteur prend en charge une ou plusieurs molécules d’un côté de la membrane.
  2. Le transporteur modifie sa conformation.
  3. Le transporteur dépose les molécules de l’autre côté selon leur gradient électrochimique.

Compléments

• Les canaux membranaires comprennent : les aquaporines pour l’eau, des canaux ioniques sélectifs, des canaux ouverts en permanence à faible débit ou ouvrables sur stimulus, notamment par voltage ou ligand

📌 Un canal potassique lent laisse passer passivement un faible flux de potassium selon son gradient électrochimique, tandis qu’un canal ionique transmembranaire rapide s’ouvre ou se ferme dans des circonstances particulières et laisse passer passivement un ou plusieurs ions lorsqu’il est ouvert.

• Le transport facilité est saturable et le transporteur GLUT permet notamment l’entrée du glucose dans la cellule.

📖 8. Diffusion ionique et potentiel d’équilibre

★ À maîtriser

• La diffusion d’un soluté chargé à travers une membrane implique son gradient chimique et le potentiel électrostatique du milieu, car son déplacement transfère une charge électrique.

• À l’équilibre électrochimique, autant d’ions entrent sous l’effet du gradient chimique qu’en sortent sous l’effet du gradient électrique, de sorte que le flux net est nul.

📐 Formule - L’équation de Nernst définit le potentiel d’équilibre d’un soluté chargé par $E_x=-\frac{RT}{z_xF}\ln\left(\frac{[X]_i}{[X]_e}\right)$, où R est la constante des gaz parfaits, T la température, zₓ la valence, F la constante de Faraday et [X]ᵢ et [X]ₑ les concentrations intracellulaire et extracellulaire.

Compléments

• Pour le chlore, le gradient de concentration extracellulaire vers intracellulaire est opposé au gradient électrique, car la face interne de la membrane et l’ion chlorure sont chargés négativement.

• Les potentiels d’équilibre indiqués sont K⁺ : −90 mV, Na⁺ : +62 mV, Cl⁻ : −65 mV et Ca²⁺ : +123 mV.

• Pour le potassium, les concentrations indiquées sont [K⁺]ₑ = 4,5 mmol/L dans le liquide interstitiel et [K⁺]ᵢ = 150 dans le cytoplasme, et le potentiel d’équilibre correspondant est −90 mV.

💡 Astuce mémo

Le gradient chimique pousse Cl⁻ vers l’intérieur, le gradient électrique le repousse.

📖 9. Potentiel de repos membranaire

★ À maîtriser

• 🔄 Au repos, la répartition ionique s’établit ainsi :
  1. La pompe Na⁺/K⁺-ATPase consomme de l’ATP.
  2. La pompe maintient le potassium dans la cellule et le sodium hors de la cellule.
  3. Un canal potassique lent laisse sortir lentement le potassium.

📐 Formule - Le potentiel de membrane est calculé comme la somme des potentiels d’équilibre ioniques pondérés par la perméabilité membranaire de chaque ion au repos : $E_m=(E_Kf_K)+(E_{Na}f_{Na})+(E_{Cl}f_{Cl})$.

• Le potentiel membranaire de repos, noté Vr, est d’environ −60 à −80 mV.

• Au repos, les protéines anioniques sont retenues à l’intérieur de la cellule, tandis que la membrane est quasi imperméable au Na+, plus perméable au Cl− et surtout perméable au K+ grâce à des canaux passifs lents.

Compléments

• L’équilibre de Gibbs-Donnan met en jeu :

  • l’électroneutralité des solutions
  • les pressions osmotiques
  • les gradients chimiques
  • la différence de potentiel

• Le potentiel de repos repose sur : l’électroneutralité des solutions, l’équilibre osmotique entre les milieux intracellulaire et extracellulaire, la sélectivité membranaire envers certains ions

📌 Le potentiel de repos peut être compris comme la coexistence de plusieurs piles en parallèle, auxquelles s’oppose la résistance membranaire dépendant des canaux et des pompes.

📖 10. Osmose et pression osmotique

🔑 Notions clés & Définitions

• Aquaporines : Canaux sélectifs à l’eau qui confèrent à la membrane plasmique une très grande perméabilité à l’eau, supérieure à sa perméabilité aux ions.
• Pression osmotique : Pression hydrostatique qu’il faudrait exercer sur une solution pour empêcher le solvant de traverser la membrane.

★ À maîtriser

• Lorsqu’une membrane semi-perméable ne laisse passer que l’eau, le solvant se déplace selon son gradient chimique vers le compartiment le plus concentré, jusqu’à ce que la pression hydrostatique s’oppose à ce mouvement.

Compléments

• Chez l’hématie, le volume d’eau traversant la membrane chaque seconde correspond à 100 fois le volume de l’hématie, mais les flux dans les deux sens s’équilibrent et le volume cellulaire ne varie pas.

📐 Formule - La pression osmotique dépend du nombre de moles de soluté, de la température et du volume, selon l’équation des gaz parfaits $P = \frac{Nrt}{V}$.

💡 Astuce mémo

Un gradient chimique d’eau entraîne un flux, auquel s’oppose la pression hydrostatique.

📖 11. Osmolarité et mouvements cellulaires

🔑 Notions clés & Définitions

• Concentration osmolaire : Nombre de particules osmotiquement actives par unité de volume.

★ À maîtriser

• Pour un soluté non dissocié, la concentration osmolaire est égale à la concentration molaire, tandis que pour un soluté dissocié, elle est égale à la concentration molaire multipliée par le nombre d’ions produits.

📌 L’osmolarité compte les particules osmotiques actives par litre de solution, en mOsm/L, tandis que l’osmolalité les compte par kilogramme d’eau, en mOsm/kg.

• Lorsque l’osmolalité extracellulaire augmente, l’eau se déplace par osmose du milieu le moins concentré vers le milieu le plus concentré; l’inverse se produit lorsque l’osmolalité extracellulaire diminue.

Compléments

• Une mole de glucose correspond à 1 osmole, 1 mmol d’urée à 1 mosm, 1 mole de NaCl à 2 osmoles et 1 mmol de CaCl2 à 3 mosmoles.

• À l’état stable, les compartiments hydriques ont la même osmolalité malgré des compositions ioniques très différentes, et l’osmolalité normale est d’environ 300 mOsm/kg d’eau.

📖 12. Échanges à travers les capillaires

🔑 Notions clés & Définitions

• Pression oncotique : Part de la pression osmotique due aux protéines retenues dans le plasma, qui attire l’eau vers le compartiment plasmatique.

★ À maîtriser

• Les pores capillaires laissent passer l’eau et les ions par diffusion simple, mais ne laissent pas passer les protéines, qui exercent une pression osmotique dans le compartiment plasmatique.

• Le sens de l’ultrafiltration capillaire dépend des différences entre pressions hydrostatiques capillaire et interstitielle et entre pressions oncotiques capillaire et interstitielle.

Compléments

• La pression hydrostatique capillaire est d’environ 30 mmHg à l’entrée du capillaire et 10 mmHg à sa sortie, tandis que la pression oncotique capillaire est d’environ 25 mmHg.

• La pression hydrostatique interstitielle est d’environ −5 mmHg et la pression oncotique interstitielle est négligeable.

• La pression hydrostatique capillaire diminue le long du capillaire, favorisant la sortie de liquide au début puis sa réabsorption en fin de capillaire.

• Les capillaires filtrent environ 20 litres de liquide plasmatique par jour vers l’interstitium, dont environ 18 litres sont réabsorbés; le système lymphatique récupère l’excédent d’environ 2 litres et le restitue à la circulation sanguine.

💡 Astuce mémo

La pression hydrostatique pousse l’eau vers l’interstitium, la pression oncotique l’attire vers le plasma.

📖 13. Hypothèse de Starling et œdèmes

🔑 Notions clés & Définitions

• Œdème : Excès d’eau dans le liquide interstitiel qui provoque un gonflement des tissus.

★ À maîtriser

📌 Dans un capillaire, une pression hydrostatique supérieure à la pression oncotique favorise la filtration, tandis qu’une pression hydrostatique inférieure à la pression oncotique favorise la réabsorption.

• Un œdème peut être généralisé ou localisé et résulte d’un excès de filtration ou d’un défaut de réabsorption.

• Les quatre causes d’œdème sont :

  • l’augmentation de la pression hydrostatique capillaire
  • la diminution de la pression oncotique
  • l’augmentation de la perméabilité capillaire
  • l’obstruction de la circulation lymphatique

Compléments

• Une pression du doigt sur une zone gonflée qui laisse une empreinte persistant quelques secondes après son retrait constitue le signe du godet et indique une accumulation excessive de liquide dans les tissus.

• L’augmentation de la pression hydrostatique capillaire peut provoquer un œdème généralisé lors d’une insuffisance cardiaque avec congestion veineuse ou d’une insuffisance rénale avec rétention hydrosodée.

• La diminution de la synthèse des protéines plasmatiques, notamment lors d’une malnutrition de type Kwashiorkor ou d’une insuffisance hépatique, diminue l’appel d’eau par la pression oncotique et favorise l’accumulation de liquide interstitiel.

• L’obstruction lymphatique, souvent responsable d’œdèmes localisés, peut être due à des parasites comme dans l’éléphantiasis, à une compression par une tumeur ou à une interruption des vaisseaux après un curage ganglionnaire, par exemple lors d’un cancer du sein.

📖 14. Osmolarité et tonicité

🔑 Notions clés & Définitions

• Osmolarité : Nombre de particules osmotiques actives par litre de solution, exprimé en mOsm/L.
• Osmolalité : Nombre de particules osmotiquement actives par kilogramme d’eau, exprimé en mOsm/kg.
• Osmolalité efficace : Pression osmotique liée aux solutés qui ne franchissent pas librement les limites des compartiments et dont les variations de concentration déterminent les mouvements d’eau.

★ À maîtriser

📐 Formule - L’osmolarité plasmatique se calcule par $\text{Osmolarité} = 2[\text{Na}] + \text{Glucose} + \text{Urée}$.

Compléments

• Un litre de plasma contient environ 930 ml d’eau et 70 ml de macromolécules.

• La cryotechnique mesure l’osmolalité en utilisant l’abaissement du point de congélation : 1 osm/kg abaisse ce point de 1,86 °C.

• L’osmolalité plasmatique efficace est principalement déterminée par la concentration plasmatique du sodium, appelée natrémie, qui reflète l’osmolalité plasmatique et celle des compartiments hydriques.

📖 15. Mouvements d’eau entre compartiments

★ À maîtriser

• Le compartiment intracellulaire n’échange pas directement avec l’environnement et son hydratation dépend des variations de la composition osmotique du secteur extracellulaire, notamment de la natrémie.

• Chez un patient sain à l’équilibre, l’osmolalité intracellulaire et l’osmolalité extracellulaire sont chacune d’environ 300 mOsm/kg, sans mouvement d’eau lié à un gradient osmotique et sans variation des volumes compartimentaux.

• 🔄 Après l’injection d’une solution hypertonique : la tonicité extracellulaire augmente, l’eau se déplace de l’intracellulaire vers l’extracellulaire par osmose, le volume intracellulaire diminue et le volume extracellulaire augmente

• 🔄 Après l’injection d’une solution hypotonique : la tonicité extracellulaire diminue, l’eau se déplace de l’extracellulaire vers l’intracellulaire par osmose, le volume intracellulaire augmente et le volume extracellulaire diminue

Compléments

• L’augmentation du volume intracellulaire après l’administration d’une solution hypotonique entraîne une hyperhydratation et un gonflement des cellules pouvant causer des problèmes.

💡 Astuce mémo

Tonicité extracellulaire ↑ → eau vers l’extracellulaire ; tonicité ↓ → eau vers l’intracellulaire

📊 Tableaux de synthèse

Membrane cellulaire et paroi capillaire