L'osmose
Les systèmes vivants, notamment les cellules, sont compartimentés par des membranes biologiques. La vie nécessite pourtant des échanges permanents entre ces différents compartiments. L'eau est la molécule la plus représentée tant en nombre qu'en poids au sein des organismes vivants (elle représente environ 70% d'un organisme humain, variable en fonction de l'age et du sexe).
Nous essairons d'expliquer ici les mécanismes qui régissent ces déplacements de l'eau entre les compartiments. Mais voici la règle de base qui gouverne les mouvements d'eau :
Tout va vers l'équilibre
L'eau est une petite molécule polaire. Ce caractère polaire ralentit fortement son passage à travers les membranes biologiques (qui sont apolaires car constituées de lipide) mais ne l'empêche pas grâce à la petite taille de la molécule qui lui permet tout de même de passer entre les phospholipides membranaires.
La concentration de l'eau
L'eau est un solvant. Malgrè cela il est possible de calculer la concentration en eau d'une solution (voir l'exercice).
La quantité de molécule d'eau dans un volume de 1 litre peut donc varier. La concentration en eau d'une solution varie en fonction de la quantité de solutés présent dans l'eau. Cette concentration reste cependant bien supérieure à celle des solutés.
Pour exprimer la concentration en eau, on utilise les termes de hypotonique et hypertonique. Il n'est possible d'utiliser ces termes que lorsqu'on compare 2 solutions.
Les mouvements d'eau et la pression osmotique
Le mouvement des molécules se produit dans le sens permettant d'aboutir à l'équilibre. Nous avons vu le cas des solutés lors de la dialyse mais le solvant, et par conséquent les molécules d'eau, sont aussi soumises à des mouvements.
Les concentrations vont tendre à s'équilibrer. Si le phénomène de dialyse était possible, le soluté descendrait son gradient pour équilibrer les concentrations. Le soluté ne pouvant traverser la membrane, seule l'eau peut tenter d'équilibrer les concentrations.
C'est l'osmose
Elle ne peut que diluer la solution de solutés présente dans le tube du haut ou autrement dit augmenter la concentration en eau dans le tube.
L'eau va du milieu hypotonique vers le milieu hypertonique
Les molécules d'eau, comme pour les molécules de solutés dans la dialyse, vont du milieu le plus concentré (en eau) vers le milieu le moins concentré (en eau).
Mais les concentrations ne peuvent s'équilibrer car cela reviendrait, puisqu'il y a des solutés dans seulement un compartiment, à déplacer totalement l'eau du bac dans le tube. De plus, l'eau montant dans le tube est soumise à la pression hydrostatique : plus l'eau monte plus son poids est important et rend sa montée difficile.
La force permettant d'exprimer le déplacement le déplacement de l'eau est la pression osmotique. Plus la différence de concentration en eau (donc inversement de concentration en soluté) entre les 2 compartiments est grande plus la pression osmotique est importante.
Tous ce qui est dit sur la dialyse est transposable au molécule d'eau. L'eau aussi en cas de déséquilibre des concentrations, descendra son gradient.
Les aquaporines
Les mouvements d'eau constatés étaient supérieurs au possibilité que cette molécule polaire possède de traverser une membrane biologique hydrophobe. Comme pour la dialyse, il existe des canaux de perméabilité qui facilite le passage de l'eau.
Les aquaporines ont été découvertes "par hasard" par Pater Agre à la fin des années 80, travaille pour lequel il reçu le prix nobel de chimie en 2003. Les aquaporines sont des protéines insérées dans la double couche lipidique conférant à ces membrane une perméabilité considérable à l'eau : 3 milliards de molécules d'eau peuvent traverser par seconde par aquaporines. Ces canaux à eau sont très sélectifs puisque si l'eau passe, aucune autre molécule ou ion ne peut passer, pas même des protons.
En général, et même si nous ne parlions ici que de l'osmose, les membranes biologiques sont pérméables à la fois aux solutés et à l'eau dans des proportions variables (fonction de la polarité, de la taille des molécules ou ions). De ce fait, l'osmose et la dialyse ne peuvent être séparés.
Un exercice d'application