Fiche de révision : Biophysique des membranes et diffusions

📋 Plan du Cours

1. Propriétés biologiques de l’eau
2. Solutions et concentrations
3. Principes de thermodynamique
4. Potentiel chimique et diffusion
5. Osmose et pression osmotique
6. Diffusion ionique et Donnan
7. Potentiel de membrane
8. Circuit électrique membranaire
9. Propagation électrotonique
10. Potentiel d’action
11. Myéline et conduction nerveuse
12. Sommation synaptique

📖 1. Propriétés biologiques de l’eau

🔑 Notions clés & Définitions

• Molécule d’eau : possède une géométrie de tétraèdre imparfait avec un angle de 104°30′, car les répulsions entre doublets électroniques ne sont pas identiques

★ À maîtriser

• La répartition de l’eau corporelle est :

  • 70 % dans le milieu intracellulaire
  • 20 % dans le fluide interstitiel
  • 7 % dans le plasma sanguin
  • 3 % dans la lumière intestinale et les autres compartiments

• La chaleur massique de l’eau est de 4,18 J·K⁻¹·g⁻¹, soit 1 cal·K⁻¹·g⁻¹, et sa chaleur de vaporisation est de 2245 J·g⁻¹.

• L’eau est un dipôle de moment dipolaire égal à 6,2 × 10⁻³⁰ C·m, ce qui favorise la perméabilité de la bicouche phospholipidique à l’eau et la formation de liaisons hydrogène.

Compléments

📌 À l’état solide, l’eau forme un cristal comportant quatre liaisons hydrogène par molécule et une structure moins compacte, tandis qu’à l’état liquide elle forme un pseudo-cristal fluide comportant en moyenne 3,4 liaisons hydrogène et une structure plus compacte.

💡 Astuce mémo

Une molécule d’eau en tétraèdre, entourée de liaisons hydrogène

📖 2. Solutions et concentrations

🔑 Notions clés & Définitions

• Solution : un mélange dans lequel un solvant, généralement liquide et abondant, dissout un soluté qui peut être solide, liquide ou gazeux
• Solution idéale : possède un volume égal à la somme du volume du solvant et des volumes des solutés, sans interaction entre les molécules de solvant et de soluté

📝 Points essentiels

📐 Formule - La concentration pondérale vérifie $C_{pondérale}=\frac{\text{masse de soluté}}{\text{volume de solution}}$ et s’exprime notamment en kg·L⁻¹ ou en g·100 mL⁻¹.

📐 Formule - La molarité vérifie $M=\frac{\text{nombre de moles de soluté}}{\text{volume de solution}}=\frac{C_{pondérale}}{\text{masse molaire}}$ et s’exprime en mol·L⁻¹ ou mmol·L⁻¹.

📐 Formule - L’osmolarité vérifie $Osm=\frac{\text{nombre de particules de soluté}}{\text{litres de solution}}=M[1+\alpha(\beta-1)]$, avec une osmolarité égale à la molarité pour une molécule non dissociable.

💡 Astuce mémo

Molarité par litre de solution, molalité par masse de solvant

📖 3. Principes de thermodynamique

🔑 Notions clés & Définitions

• Énergie interne : est une variable d’état qui définit l’énergie interne du système, mais seules ses variations entre un état initial et un état final sont observables

📝 Points essentiels

📐 Formule - Le premier principe s’écrit $\Delta U=q-w$, où q est la chaleur ajoutée au système et w le travail effectué par le système.

📐 Formule - L’enthalpie vérifie $H=U+PV$ et est particulièrement utile pour étudier les variations d’énergie à pression constante.

• Les systèmes tendent spontanément vers l’état d’entropie maximale, car l’énergie se disperse et le désordre augmente.

📌 Une réaction endergonique ne peut se produire que si elle est couplée à une réaction exergonique, de sorte que la variation globale d’énergie libre soit négative.

💡 Astuce mémo

Dispersion de l’énergie → désordre et entropie maximale

📖 4. Potentiel chimique et diffusion

🔑 Notions clés & Définitions

• Potentiel chimique : est l’énergie libre molaire partielle, c’est-à-dire la contribution de chaque mole de soluté à l’énergie libre G de la solution

• Première loi de Fick : relie le flux diffusif au gradient de concentration et décrit une diffusion passive des régions les plus concentrées vers les régions les moins concentrées

★ À maîtriser

📐 Formule - À pression et température constantes, la variation d’énergie libre s’écrit $\Delta G=\Delta U+P\Delta V-T\Delta S$.

📐 Formule - Le potentiel chimique vérifie $\mu=\frac{\Delta G}{n}$, où n est le nombre de moles de soluté en solution.

Compléments

📌 La diffusion est non saturable, spontanée et passive, et tend à annuler le gradient de concentration jusqu’à l’équilibre énergétique.

💡 Astuce mémo

Gradient chimique → traction → friction → flux diffusif

📖 5. Osmose et pression osmotique

🔑 Notions clés & Définitions

• Osmose : le déplacement de l’eau à travers une membrane perméable à l’eau mais imperméable aux solutés, jusqu’à l’égalisation des concentrations de soluté

📝 Points essentiels

📐 Formule - La cryoscopie et l’ébulliométrie relient la variation de température à l’osmolalité selon $\Delta\theta'=K'm$ et $\Delta\theta=Km$.

📌 Une solution iso-osmotique possède la même concentration de solutés dissous qu’une autre solution, tandis qu’une solution isotonique produit un flux net d’eau nul à travers une membrane.

📌 Dans une solution hypertonique, l’eau sort du globule rouge, dans une solution isotonique sa taille ne varie pas, et dans une solution hypotonique l’eau tend à entrer dans la cellule.

💡 Astuce mémo

Iso-osmotique décrit les concentrations, isotonique décrit le flux d’eau

📖 6. Diffusion ionique et Donnan

🔑 Notions clés & Définitions

• Équilibre électrochimique : correspond à un flux net nul lorsque le flux de diffusion dû au gradient de concentration compense le flux de migration électrique dû au gradient de potentiel

• Équilibre de Donnan : est un équilibre électrochimique cellulaire impliquant des ions diffusibles et au moins un ion non diffusible, qui crée une différence de potentiel entre les compartiments

📝 Points essentiels

📌 Le potentiel de Donnan se calcule avec la loi de Nernst à partir des concentrations des ions diffusibles de part et d’autre des compartiments et de leur valence.

💡 Astuce mémo

Diffusion chimique et migration électrique s’opposent jusqu’au flux nul

📖 7. Potentiel de membrane

🔑 Notions clés & Définitions

• Potentiel de membrane : est la différence de potentiel entre l’intérieur et l’extérieur de la cellule, l’intérieur étant généralement négatif par rapport à l’extérieur

📝 Points essentiels

📐 Formule - Le potentiel de membrane vérifie $E_m=V_{int}-V_{ext}$.

• Le potentiel de repos est toujours négatif et varie selon les cellules de −10 mV à −100 mV, avec une valeur moyenne proche de −60 mV pour les cellules excitables.

📌 L’équilibre de Donnan ne suffit pas à expliquer le potentiel de membrane physiologique, car il produirait un potentiel de seulement 6 à 10 mV en valeur absolue.

• La pompe Na⁺/K⁺ hydrolyse l’ATP, expulse trois ions Na⁺ et fait entrer deux ions K⁺ à travers la membrane.

💡 Astuce mémo

Pompe Na/K → gradients ioniques → potentiel de diffusion membranaire

📖 8. Circuit électrique membranaire

★ À maîtriser

📌 La bicouche lipidique hydrophobe agit comme un isolant et un condensateur, tandis que les protéines membranaires permettent le passage des ions et agissent comme des conducteurs dotés d’une résistance.

• La perméabilité membranaire des principaux ions suit l’ordre $P_{Cl}\gg P_K\gg P_{Na}$.

📐 Formule - La constante de temps membranaire vérifie $\tau_m=R_mC_m$.

Compléments

📐 Formule - La conductance membranaire g est l’inverse de la résistance membranaire r, selon $g=\frac{1}{r}$.

💡 Astuce mémo

Lipides isolants et protéines conductrices forment capacité et résistance

📖 9. Propagation électrotonique

🔑 Notions clés & Définitions

• Constante spatiale : mesure l’atténuation d’une variation du potentiel de membrane au cours de sa propagation dans l’espace

★ À maîtriser

📌 Toutes les cellules possèdent des propriétés électriques électrotoniques, tandis que les cellules excitables possèdent en plus des propriétés régénératives.

📐 Formule - Lors d’une propagation électrotonique dans un câble, le potentiel décroît avec la distance selon $V=V_0\exp(-X/\lambda)$.

Compléments

📌 Les effets des courants électrotoniques sont additifs, mais la propagation électrotonique s’accompagne d’une forte atténuation et concerne notamment les dendrites des neurones.

💡 Astuce mémo

Injection → propagation passive → atténuation exponentielle

📖 10. Potentiel d’action

🔑 Notions clés & Définitions

• Potentiel d’action : est une dépolarisation soudaine, très ample et régénérative, avec inversion transitoire du potentiel de membrane
• Canal sodique voltage-dépendant : s’ouvre lors d’une dépolarisation suffisante, puis s’inactive rapidement même si le potentiel transmembranaire reste élevé

📝 Points essentiels

📌 Le potentiel d’action obéit au phénomène du tout ou rien : son amplitude et sa durée ne dépendent pas de l’intensité du courant déclenchant.

📌 La période réfractaire absolue interdit tout nouveau potentiel d’action quelle que soit l’intensité du courant, tandis que la période réfractaire relative permet un nouveau potentiel d’action avec un courant plus intense.

• Le potentiel d’action repose d’abord sur une augmentation brève de la conductance sodique, puis sur une augmentation tardive de la conductance potassique responsable de l’hyperpolarisation transitoire.

💡 Astuce mémo

Seuil → ouverture Na⁺ → inactivation Na⁺ → ouverture K⁺

📖 11. Myéline et conduction nerveuse

🔑 Notions clés & Définitions

• Myéline : est une épaisse couche lipidique discontinue autour de l’axone, produite par les cellules de Schwann dans les nerfs périphériques et par certaines cellules gliales dans le système nerveux central

📝 Points essentiels

• Les interruptions régulières de la myéline sont les nœuds de Ranvier, séparés par des intervalles de 1 à 3 mm selon le type de fibre.

• La propagation saltatoire correspond à une propagation électrique continue entre les nœuds, avec régénération du potentiel d’action au niveau de chaque nœud de Ranvier.

• La myéline augmente la vitesse de conduction du potentiel d’action d’un facteur de 15 à 100 par rapport aux fibres amyéliniques.

💡 Astuce mémo

Le potentiel d’action saute de nœud de Ranvier en nœud de Ranvier

📖 12. Sommation synaptique

🔑 Notions clés & Définitions

• Sommation temporelle : survient lorsque plusieurs potentiels postsynaptiques d’une même synapse se chevauchent parce que les potentiels d’action présynaptiques sont suffisamment rapprochés dans le temps

• Sommation spatiale : correspond à la combinaison de potentiels postsynaptiques provenant d’au moins deux synapses distinctes séparées le long des dendrites

★ À maîtriser

📌 Un potentiel postsynaptique dépolarisant est un PPSE excitateur, tandis qu’un potentiel postsynaptique hyperpolarisant est un PPSI inhibiteur.

Compléments

📌 La sommation spatiale peut associer simultanément des PPSE et des PPSI, de sorte que les courants dépolarisants et hyperpolarisants se compensent partiellement.

📌 La constante de temps membranaire élevée augmente l’efficacité de la sommation spatiale.

💡 Astuce mémo

Sommation temporelle sur une synapse, spatiale entre plusieurs synapses

📊 Tableaux de synthèse

Types de diffusion et équilibre