Fiche de révision : Physiologie cellulaire et homéostasie

📋 Plan du Cours

1. Fondements de la physiologie
2. Organisation fonctionnelle de la cellule
3. Structure et fonctions membranaires
4. Compartiments et volumes hydriques
5. Osmolarité et composition des liquides
6. Électricité membranaire
7. Gradient électrochimique et loi de Nernst
8. Origine du potentiel membranaire
9. Cellules excitables et canaux ioniques
10. Pores, canaux et transporteurs
11. Flux et transports membranaires
12. Pompe Na-K ATPase
13. Autres pompes ATPasiques
14. Cotransports ou symports
15. Échangeurs ou antiports

📖 1. Fondements de la physiologie

🔑 Notions clés & Définitions

• Physiologie : Claude Bernard, 19ème siècle — Étude du fonctionnement de l’être vivant et des mécanismes mécaniques, physiques et chimiques qui maintiennent son milieu intérieur favorable aux réactions indispensables à sa survie.
• Milieu intérieur : Ensemble des liquides à l’intérieur de l’organisme, notamment le plasma, la lymphe, le liquide interstitiel et le liquide intracellulaire.
• Homéostasie : Capacité à conserver son équilibre malgré les contraintes extérieures.

📝 Points essentiels

• En physiologie, l’équilibre comprend le maintien des balances:
  • hydrique
  • électrolytique
  • osmotique
  • acido-basique
  • électrique
  • thermique
  • énergétique

💡 Astuce mémo

Milieu intérieur constant → homéostasie → survie

📖 2. Organisation fonctionnelle de la cellule

🔑 Notions clés & Définitions

• Membrane plasmique : Barrière semi-perméable qui régule la composition du milieu intracellulaire.

★ À maîtriser

• En microscopie optique, une cellule animale apparaît composée d’une membrane cellulaire, d’un cytoplasme et d’un noyau.

• Le noyau contient l’information génétique de la cellule et permet sa réplication ainsi que sa transcription.

• Les mitochondries utilisent l’oxygène pour produire l’ATP directement utilisable par la cellule par phosphorylation oxydative.

Compléments

• Le réticulum endoplasmique lisse participe à la synthèse des lipides et constitue un réservoir intracellulaire de calcium, tandis que le réticulum endoplasmique rugueux est le site majeur de synthèse et de maturation des protéines.

💡 Astuce mémo

Une cellule comme une ville : noyau central, mitochondries énergétiques et cytosquelette porteur

📖 3. Structure et fonctions membranaires

🔑 Notions clés & Définitions

• Phospholipide : Constitué d’un corps de glycérol ou de sérine, de deux acides gras et d’une tête dont l’identité détermine sa catégorie et certaines de ses propriétés.

★ À maîtriser

• 🔄 Dans l’eau, les phospholipides s’organisent selon leur concentration:

  1. en monocouche à faible concentration
  2. en micelles à concentration plus élevée
  3. en bicouches à très forte concentration

• Les membranes cellulaires sont principalement constituées de phospholipides organisés en bicouche, ce qui a été vérifié en 1925 par Gorter et Grendel.

• La fluidité membranaire augmente avec la température, lorsque la longueur des acides gras diminue et lorsque les acides gras saturés sont remplacés par des acides gras insaturés.

📌 Les protéines membranaires périphériques adhèrent à la surface de la membrane sans lien covalent avec la bicouche, tandis que les protéines intégrées sont intimement associées à celle-ci et peuvent la traverser.

Compléments

• Le feuillet interne de la membrane contient essentiellement de la phosphatidyléthanolamine et de la phosphatidylsérine, tandis que le feuillet externe contient principalement de la phosphatidylcholine.

💡 Astuce mémo

Têtes hydrophiles vers l’eau, queues hydrophobes au centre

📖 4. Compartiments et volumes hydriques

★ À maîtriser

• L’eau totale représente environ 60 % du poids corporel ; chez un individu de 70 kg, elle correspond à 42 litres, dont 28 litres dans le compartiment intracellulaire et 14 litres dans le compartiment extracellulaire.

• Le compartiment extracellulaire comprend environ 11 litres de liquide interstitiel, 3 litres de compartiment intravasculaire et un compartiment transcellulaire dont le volume n’est pas compté.

• Le sang représente environ 7 % du poids corporel, soit 5 litres, comprenant environ 3 litres de plasma et 2 litres d’éléments figurés, avec un hématocrite d’environ 40 %.

📐 Formule — Le volume intracellulaire se calcule par $VIC = eau totale - volume extracellulaire$, le liquide interstitiel par $VLI = volume extracellulaire - volume plasmatique$ et le volume sanguin par $VS = \frac{volume plasmatique}{1 - hématocrite}$.

Compléments

📌 Le liquide interstitiel baigne les cellules non sanguines et forme un gel riche en acide hyaluronique, tandis que les liquides en relation directe avec l’extérieur, comme l’urine et le liquide gastrointestinal, ne font pas partie du milieu intérieur.

💡 Astuce mémo

Eau totale → extracellulaire → plasma et interstitiel

📖 5. Osmolarité et composition des liquides

🔑 Notions clés & Définitions

• Osmolarité : Concentration de particules osmotiquement actives par litre de solution, tandis que l’osmolalité est la concentration par kilogramme de solvant.

★ À maîtriser

📌 Le liquide intracellulaire est riche en potassium et pauvre en sodium, tandis que le liquide extracellulaire est pauvre en potassium et riche en sodium.

• L’osmolarité des compartiments intracellulaire et extracellulaire est similaire, à environ 300 mOsm/L, ou environ 280 mOsm/L après correction des interactions entre solutés.

• Dans le compartiment extracellulaire, le sodium et le chlore représentent 80 % de l’osmolarité totale, tandis que le potassium, le magnésium et les phosphates représentent 50 % de l’osmolarité intracellulaire.

📐 Formule — Selon la loi de van’t Hoff, la pression osmotique vérifie $P = C \cdot R \cdot T$, où C est l’osmolarité, R la constante des gaz parfaits et T la température en kelvins.

Compléments

• La concentration en protéines est d’environ 300 g/L dans le compartiment intracellulaire, contre 70 g/L dans le plasma et 10 g/L dans le liquide interstitiel.

💡 Astuce mémo

Intracellulaire riche en K+, extracellulaire riche en Na+

📖 6. Électricité membranaire

🔑 Notions clés & Définitions

• Potentiel membranaire : Différence de voltage de part et d’autre d’une membrane cellulaire, le potentiel extracellulaire étant défini comme égal à zéro.
• Gradient électrochimique : Combinaison de la différence de concentration entre les compartiments et de la différence de potentiel électrique entre ces compartiments.

★ À maîtriser

• Toutes les cellules ont un potentiel membranaire négatif situé entre −60 et −90 mV, à l’exception du globule rouge dont le potentiel est d’environ −9 mV.

• Lorsque des canaux perméables au potassium sont ouverts, le potassium diffuse du compartiment où sa concentration est élevée vers celui où elle est faible jusqu’à ce que la force électrique compense la force chimique.

Compléments

📐 Formule — Le champ électrique produit par une membrane d’épaisseur d vérifie $E = \frac{V_m}{d}$ ; pour $V_m = -0.1\,V$ et $d = 4\,nm$, il atteint environ 250000 V/cm.

💡 Astuce mémo

Gradient ionique → déplacement des ions → potentiel membranaire

📖 7. Gradient électrochimique et loi de Nernst

🔑 Notions clés & Définitions

• Gradient électrochimique : Résulte de la combinaison de sa différence de concentration entre l’intérieur et l’extérieur de la cellule et de la différence de potentiel électrique entre ces deux compartiments.

★ À maîtriser

📐 Formule — Le potentiel électrochimique vérifie $\Delta\mu_x = RT\ln\left(\frac{X_i}{X_e}\right)+Z_xF V_m$.

📌 À l’équilibre électrochimique, le potentiel électrochimique est nul et il n’existe plus de mouvement net du soluté.

📐 Formule — À 37 °C, le potentiel de Nernst se calcule par $E_x=\pm\frac{60}{Z_x}\log\left(\frac{X_i}{X_e}\right)$, avec un signe négatif pour un cation et positif pour un anion.

Compléments

• Pour un cation monovalent dont la concentration intracellulaire est dix fois supérieure à la concentration extracellulaire, le potentiel d’équilibre est de -60 mV.

💡 Astuce mémo

Force chimique contre force électrique

📖 8. Origine du potentiel membranaire

★ À maîtriser

• Les rapports de concentration sont de 0,1 pour Na_i/Na_e, 35 pour K_i/K_e, 10^-4 pour Ca_i/Ca_e et 0,2 pour Cl_i/Cl_e.

📐 Formule — Si le potassium est le seul ion perméant, son potentiel d’équilibre est $V_m=-60\log(35)\approx -94\text{ mV}$.

• Les potentiels d’équilibre indiqués sont d’environ +60 mV pour Na+, +123 mV pour Ca2+, -47 mV pour Cl- dans la majorité des cellules et -89 mV pour Cl- dans les muscles squelettiques et les neurones.

📐 Formule — Pour une membrane perméable à plusieurs ions, le potentiel membranaire est décrit par l’équation de Goldman-Hodgkin-Katz $V_m=-\frac{RT}{F}\ln\left(\frac{P_KK_i+P_{Na}Na_i+P_{Cl}Cl_e}{P_KK_e+P_{Na}Na_e+P_{Cl}Cl_i}\right)$.

Compléments

📌 Au potentiel de repos, un potentiel membranaire inférieur à -94 mV entraîne un courant entrant de K+, tandis qu’un potentiel se rapprochant de 0 ou devenant positif entraîne un courant sortant de K+.

• Au repos, les cellules sont environ 100 fois plus perméables au potassium qu’au sodium, tandis que les perméabilités au calcium et au chlore sont généralement insignifiantes.

💡 Astuce mémo

Perméabilité ionique + gradients → potentiel membranaire

📖 9. Cellules excitables et canaux ioniques

🔑 Notions clés & Définitions

• Cellule excitable : Répond à des stimuli chimiques, électriques ou mécaniques par une modification de son potentiel membranaire.

★ À maîtriser

• Lorsqu’une cellule excitable atteint le seuil de dépolarisation, les échanges ioniques s’amplifient, le potentiel d’action dépolarise la membrane puis la repolarise vers sa valeur initiale.

• Les canaux voltage-dépendants s’ouvrent ou se ferment en réponse aux modifications du potentiel membranaire, tandis que les canaux ligand-dépendants répondent à la liaison d’un ligand extracellulaire ou intracellulaire.

Compléments

• Les canaux ioniques peuvent présenter une barrière d’activation, parfois une barrière d’inactivation, un filtre sélectif et un débit de 10^6 à 10^9 ions par seconde lorsqu’ils sont ouverts.

💡 Astuce mémo

Seuil → dépolarisation → repolarisation

📖 10. Pores, canaux et transporteurs

🔑 Notions clés & Définitions

• Aquaporines : Pores transmembranaires qui permettent le passage des molécules d’eau en file indienne.

★ À maîtriser

📌 Un pore est un conduit aqueux continuellement ouvert, un canal possède une barrière régulable et un transporteur alterne entre des conformations séparées par au moins deux barrières jamais ouvertes simultanément.

• L’aquaporine 2 est insérée dans la membrane apicale des tubes collecteurs rénaux sous l’influence de l’ADH, ce qui augmente la perméabilité à l’eau et favorise sa réabsorption.

Compléments

• Les canaux ioniques possèdent un filtre sélectif, une durée d’ouverture caractéristique et peuvent être rectifiants, c’est-à-dire laisser passer les ions dans un seul sens.

• Les perforines sécrétées par les lymphocytes T s’assemblent dans la membrane des cellules cibles pour former de larges pores laissant passer l’eau, les ions et d’autres solutés.

💡 Astuce mémo

Pore ouvert, canal contrôlé, transporteur alternant

📖 11. Flux et transports membranaires

🔑 Notions clés & Définitions

• Transport actif : Fait traverser un soluté contre son gradient électrochimique grâce à l’énergie de l’ATP ou au couplage avec le transport d’un autre soluté selon son gradient.

★ À maîtriser

📐 Formule — La première loi de Fick décrit le flux diffusif par $J_i=D_i\frac{\Delta X}{\Delta x}$, où le flux dépend du coefficient de diffusion, du gradient de concentration et de la distance à parcourir.

📐 Formule — Le temps de diffusion vérifie $t=\frac{d^2}{2D_i}$, de sorte qu’une distance multipliée par 10 multiplie le temps de diffusion par 100.

📌 La diffusion déplace les solutés selon un gradient sans mouvement global de solution, tandis que la convection entraîne les solutés avec le solvant en masse sous l’effet d’un gradient de pression.

📐 Formule — Pour une substance neutre, le flux diffusif membranaire suit la loi $J_x=P_x(X_e-X_i)$ et augmente linéairement avec le gradient de concentration sans atteindre de flux maximal.

📐 Formule — La diffusion facilitée suit la relation de Michaelis-Menten $J_x=\frac{\Delta X\,J_{max}}{K_m+\Delta X}$, où Km est la concentration donnant un flux égal à la moitié de Jmax.

• Les transporteurs GLUT diffèrent par leur affinité, leur régulation et leur expression tissulaire; GLUT1 est constitutif dans les globules rouges et les cellules endothéliales, GLUT3 est présent dans les neurones et le placenta, et l’insuline recrute GLUT4 dans les adipocytes et les muscles.

• La pompe Na-K hydrolyse un ATP pour faire sortir trois ions Na+ et faire entrer deux ions K+ à chaque cycle. — Jens Skou, 1997

Compléments

• Le cycle de la pompe Na-K comprend la fixation de trois Na+, l’hydrolyse et la phosphorylation, leur libération à l’extérieur, la fixation de deux K+, la déphosphorylation puis la libération des K+ à l’intérieur.

💡 Astuce mémo

Diffusion selon le gradient, transport actif contre le gradient

📖 12. Pompe Na-K ATPase

🔑 Notions clés & Définitions

• Transport actif primaire : Le transport actif primaire utilise l’hydrolyse de l’ATP pour déplacer une substance contre son gradient électrochimique.
• Pompe Na-K ATPase : Protéine formée d’une sous-unité α catalytique, portant les sites de liaison du sodium et du potassium, et d’une sous-unité β indispensable à son assemblage membranaire.

★ À maîtriser

• À chaque cycle, la pompe Na-K ATPase hydrolyse une molécule d’ATP, expulse trois ions Na+ et fait entrer deux ions K+ grâce à des changements de conformation et à la phosphorylation puis déphosphorylation de la sous-unité α.

📌 Dans toutes les cellules, la pompe Na-K ATPase maintient une faible concentration intracellulaire de Na+ et une forte concentration intracellulaire de K+ ; dans les cellules épithéliales, elle se trouve uniquement sur la face basolatérale.

Compléments

• La pompe Na-K ATPase possède quatre isoformes α et deux isoformes β, qui diffèrent par leur distribution tissulaire et leur cinétique.

• Le flux de la pompe Na-K ATPase est saturable et dépend des réserves d’ATP ainsi que de l’état métabolique cellulaire ; dans les cellules du tube proximal rénal, elle utilise plus d’un tiers du métabolisme énergétique.

📌 La digoxine et la digitaline, des digitaliques dérivés de la digitale, bloquent la pompe Na-K ATPase en se liant à elle avec une forte affinité et en la maintenant fermée.

💡 Astuce mémo

3 Na+ sortent, 2 K+ entrent, 1 ATP est hydrolysé

📖 13. Autres pompes ATPasiques

★ À maîtriser

• La pompe H-K des cellules pariétales gastriques sécrète activement des ions H+ dans la lumière de l’estomac en échange d’un ion K+ et grâce à l’hydrolyse de l’ATP.

• La pompe H-K est non électrogénique, sa stœchiométrie est de 1:1 et elle contribue à la sécrétion d’HCl gastrique, qui produit un pH proche de 3 indispensable à l’activation du pepsinogène en pepsine.

📌 Les pompes PMCA expulsent le Ca++ du cytoplasme vers le compartiment extracellulaire, tandis que les pompes SERCA séquestrent le Ca++ du cytoplasme dans la lumière du réticulum endoplasmique ou sarcoplasmique.

Compléments

📌 L’oméprazole bloque la pompe H-K gastrique, diminue l’excrétion d’HCl et est utilisé contre les gastrites, les œsophagites et les ulcères gastro-intestinaux.

• Dans le rein, la pompe H-K, surtout présente dans les tubes collecteurs, sécrète des ions H+ dans l’urine et participe au maintien de l’équilibre acidobasique.

• La pompe H+ électrogénique, principalement située dans la branche ascendante large de l’anse de Henle et dans les tubes collecteurs, peut faire diminuer le pH urinaire jusqu’à 4.

• Pour chaque ATP hydrolysé, les pompes PMCA et SERCA déplacent un Ca++ et un H+ en sens opposés.

💡 Astuce mémo

H-K acidifie l’estomac, PMCA et SERCA déplacent le calcium

📖 14. Cotransports ou symports

🔑 Notions clés & Définitions

• Transport actif secondaire : Déplace un soluté contre son gradient électrochimique en couplant ce déplacement au transport favorable d’un autre soluté, généralement Na+, sans hydrolyser directement l’ATP.

★ À maîtriser

📌 Dans un symport, les solutés transportés via et contre leur gradient électrochimique se déplacent dans la même direction.

📌 Le cotransporteur Na/glucose, présent sur la membrane apicale des tubules proximaux rénaux et des entérocytes de l’intestin grêle, utilise le gradient favorable du Na+ pour faire entrer le glucose contre son gradient de concentration.

• Les cotransporteurs Na/acides aminés absorbent les acides aminés dans l’intestin grêle et réabsorbent ceux qui ont été filtrés par le glomérule dans les tubules proximaux rénaux.

📌 Les cotransporteurs Na/Cl et Na/K/Cl font entrer Na+ et Cl− dans la cellule, et le cotransporteur Na/K/Cl de la branche ascendante large de l’anse de Henle permet la réabsorption des ions nécessaire à la concentration des urines.

Compléments

📐 Formule — Avec une stœchiométrie de 1 Na+ pour 1 glucose et un potentiel membranaire de -60 mV, le cotransporteur Na/glucose peut atteindre un rapport de concentration intracellulaire sur luminale du glucose de $G_i/G_e = 100$.

• Les cotransporteurs Na/HCO3− possèdent des stœchiométries de 1:1, 1:2 ou 1:3 et participent à l’équilibre acidobasique, notamment sur la membrane basolatérale des tubes proximaux.

📌 Le furosémide inhibe le cotransporteur Na/K/Cl et agit comme diurétique de l’anse, tandis que les diurétiques thiazidiques inhibent le cotransporteur Na/Cl des tubes distaux.

💡 Astuce mémo

Symport : les solutés avancent dans la même direction

📖 15. Échangeurs ou antiports

★ À maîtriser

📌 Dans un antiport, les solutés transportés via et contre leur gradient électrochimique se déplacent dans des directions opposées.

• L’échangeur Na-Ca, ou NCX, est pratiquement ubiquitaire et échange trois Na+ entrants contre un Ca++ sortant, ce qui le rend électrogénique.

📌 L’échangeur Na-H, ou NHE, échange un Na+ contre un H+ avec une stœchiométrie de 1:1, expulse les H+ et augmente le pH intracellulaire ; dans le tubule proximal, il récupère le Na+ et acidifie le liquide tubulaire.

Compléments

📐 Formule — Avec un potentiel membranaire de -60 mV et un gradient extracellulaire sur intracellulaire du Na+ de 10, l’échangeur NCX cesse théoriquement son flux net lorsque le gradient extracellulaire sur intracellulaire du Ca++ atteint $C_a{}_e/C_a{}_i = 10000$.

• L’échangeur Na/HCO3−-Cl fait entrer un Na+ et deux HCO3− en échange de la sortie d’un Cl− ; sa stœchiométrie 1:2:1 le rend non électrogénique et il alcalinise les cellules.

• L’échangeur Cl-HCO3−, aussi appelé échangeur anionique AE, est ubiquitaire et non électrogénique avec une stœchiométrie de 1:1 ; l’entrée de Cl− entraîne généralement la sortie de HCO3− et contribue à la régulation du volume cellulaire.

💡 Astuce mémo

Antiport : un soluté entre quand l’autre sort

📊 Tableaux de synthèse

Répartition de l’eau corporelle

Comparaison des transports membranaires