Karamö, le prof virtuelLeçon 9 sur 23
Quelques propriétés des milieux biologiques (fiche complémentaire)
Je sais expliquer le pH et les systèmes tampons des liquides du corps, l'état colloïdal de la matière vivante, la dialyse et les différents modes de passage des substances à travers la membrane.
- 1 h
- 5 exercices corrigés
- 2 schémas
- QCM de 5 questions
À la fin de la leçon, tu sauras :
- Calculer un pH et expliquer le rôle d'un système tampon
- Décrire l'état colloïdal (sol, gel) et interpréter une expérience de dialyse
- Distinguer diffusion simple, osmose et transport actif
- Expliquer pourquoi la cellule peut accumuler certains ions contre leur gradient de concentration
Avant de commencer : La leçon précédente (diffusion, osmose, pression osmotique) ; la leçon sur les protides (caractère amphotère) ; en chimie, la notion de pH.
1Je découvre
Hawa, élève de 12e à Kindia, accompagne sa tante qui fait du soumbala et du lait caillé. Elle remarque que le lait frais est liquide et blanc, mais qu'en quelques heures, sous l'action des ferments, il devient acide et se transforme en un caillé épais. Sa tante prépare aussi de la gelée avec des fruits : chaude, la préparation coule ; refroidie, elle tient dans la cuillère.
Le lendemain, au lycée, le professeur de biologie évoque les malades des reins soignés par « dialyse » à l'hôpital : une machine débarrasse leur sang des déchets, sans lui faire perdre ses protéines. Il ajoute : « Votre sang garde un pH presque constant, entre 7,35 et 7,45, que vous buviez du jus de citron ou de l'eau de source. S'il sort de ces limites, la vie est menacée. »
Hawa se demande : « Comment le sang résiste-t-il aux acides ? Comment une machine peut-elle trier les molécules ? Et comment une cellule choisit-elle ce qui entre ? »
Quelles autres propriétés physico-chimiques caractérisent les milieux biologiques, et comment les substances traversent-elles la membrane cellulaire ?
2Je comprends
1. Le pH des milieux biologiques
Le pH mesure l'acidité d'une solution. Il dépend de la concentration en ions oxonium H3O^+ (souvent notés H^+) :
pH = -log[H3O^+] ou [H3O^+] = 10-pH mol/L
- pH < 7 : solution acide ;
- pH = 7 : solution neutre (à 25 °C) ;
- pH > 7 : solution basique.
Quand le pH baisse de 1 unité, la concentration en ions H3O^+ est multipliée par 10.
| Liquide | pH (valeur approchée) |
|---|---|
| Suc gastrique (estomac) | environ 2, très acide |
| Jus de citron | environ 2 à 3 |
| Salive | voisin de 7 |
| Sang | 7,35 à 7,45, légèrement basique |
| Suc pancréatique, bile | légèrement basiques |
Le pH a une grande importance biologique, car la forme et donc l'activité des protéines, en particulier des enzymes, dépendent du pH (leçon sur les protides). Chaque enzyme a un pH optimal : la pepsine de l'estomac agit en milieu acide, l'amylase de la salive vers la neutralité (leçon sur la digestion).
Exemple
Le suc gastrique a un pH de 2 et le sang un pH de 7,4. Calculer la concentration en ions oxonium dans le suc gastrique et comparer avec une solution de pH 7.
Suc gastrique : [H3O+] = 10⁻² mol/L = 0,01 mol/L.
Solution de pH 7 : [H3O+] = 10⁻⁷ mol/L.
Rapport : 10⁻² ÷ 10⁻⁷ = 10⁵ : le suc gastrique contient 100 000 fois plus d'ions oxonium qu'une solution neutre.
2. Les systèmes tampons
Si l'on ajoute quelques gouttes d'acide chlorhydrique à un verre d'eau pure, le pH chute fortement. Si l'on en ajoute la même quantité à du plasma sanguin, le pH change à peine. Le plasma contient des systèmes tampons.
Un système tampon est un mélange d'un acide faible et de sa base conjuguée qui limite les variations de pH quand on ajoute un acide ou une base.
Le principal tampon du sang est le couple acide carbonique / ion hydrogénocarbonate :
H2CO3 rightleftharpoons HCO3^- + H^+
- si un acide arrive dans le sang (par exemple l'acide lactique produit par les muscles pendant un effort), les ions H^+ en excès sont captés par HCO3^- qui devient H2CO3 ; celui-ci se décompose en eau et en CO2, éliminé par les poumons ;
- si une base arrive, H2CO3 libère des ions H^+ qui la neutralisent.
Les protéines (hémoglobine, protéines du plasma) sont aussi des tampons grâce à leur caractère amphotère : leurs fonctions acides et amines peuvent céder ou capter des ions H^+. Les phosphates jouent le même rôle dans les cellules.
3. L'état colloïdal de la matière vivante
Dans une solution vraie (eau sucrée, eau salée), les particules dissoutes sont très petites (ions, petites molécules) : la solution est limpide, les particules traversent tous les filtres. Mais les protéines, l'amidon et le glycogène sont des macromolécules, bien plus grosses. Dispersées dans l'eau, elles forment une solution colloïdale : les particules mesurent environ entre 1 nm et 1 µm, restent en suspension sans se déposer, mais ne traversent pas les membranes très fines.
Propriétés des colloïdes :
- ils diffusent la lumière : un faisceau lumineux qui traverse une solution colloïdale devient visible (effet Tyndall), comme un rayon de soleil dans la poussière ;
- ils ne traversent pas les membranes de dialyse (cellophane, parchemin) ;
- ils peuvent passer de l'état liquide, le sol, à un état plus ferme, le gel, et inversement. La gelée de fruits chaude est un sol, refroidie elle devient un gel.
Le cytoplasme est un milieu colloïdal : ses protéines lui donnent une consistance de sol dans certaines régions et de gel dans d'autres. Ces changements interviennent dans les mouvements cellulaires, comme la formation des pseudopodes de l'amibe.
4. La dialyse : trier les molécules selon leur taille
La dialyse est la séparation des petites molécules et des grosses molécules à l'aide d'une membrane semi-perméable qui laisse passer l'eau et les petites particules (ions, glucose, urée), mais retient les grosses (protéines, amidon).
Exemple
On remplit un sac de cellophane d'un mélange d'amidon et de glucose. On le ferme et on le plonge dans un bécher d'eau distillée. Après une heure, on teste l'eau du bécher : eau iodée négative, liqueur de Fehling positive. Interpréter.
Liqueur de Fehling positive : le glucose (petite molécule) est passé du sac vers l'eau par diffusion à travers la membrane.
Eau iodée négative : l'amidon (macromolécule colloïdale) est resté dans le sac.
Conclusion : la cellophane est une membrane de dialyse ; elle laisse passer les petites molécules et retient les grosses.
C'est le principe du rein artificiel : le sang du malade circule le long d'une membrane de dialyse baignée par un liquide propre. Les déchets (urée) diffusent vers ce liquide, tandis que les protéines et les cellules du sang sont retenues.
- eau
- ions (Na+, Cl−)
- glucose, acides aminés
- urée
- protéines (albumine)
- amidon
- glycogène
- cellules du sang
5. Comment les substances traversent la membrane plasmique
La membrane plasmique n'est pas une simple membrane de dialyse : elle est vivante et sélective. On distingue plusieurs modes de passage.
| Mode | Sens | Énergie | Exemples |
|---|---|---|---|
| Diffusion simple | du plus concentré vers le moins concentré | non | O2, CO2, petites molécules liposolubles |
| Osmose | l'eau va vers le milieu le plus concentré | non | entrée d'eau dans les cellules des racines |
| Diffusion facilitée | du plus concentré vers le moins concentré, grâce à une protéine de transport | non | glucose dans de nombreuses cellules |
| Transport actif | contre le gradient de concentration, du moins concentré vers le plus concentré | oui (ATP) | pompe sodium-potassium ; absorption d'ions par les racines |
| Endocytose / exocytose | entrée ou sortie de grosses particules dans des vésicules | oui | l'amibe englobe une proie ; sécrétion des enzymes |
Les trois premiers modes sont passifs : ils suivent le sens naturel de la diffusion et ne coûtent pas d'énergie. Le transport actif demande de l'énergie fournie par la respiration (ATP).
La pompe sodium-potassium. Le milieu intérieur des cellules animales est riche en ions potassium K^+ et pauvre en ions sodium Na^+, alors que le liquide qui les entoure est riche en Na^+ et pauvre en K^+. Par diffusion, ces différences devraient disparaître. Elles sont maintenues par une protéine de la membrane, la pompe Na⁺/K⁺, qui, en utilisant l'énergie d'une molécule d'ATP, fait sortir 3 ions Na^+ et entrer 2 ions K^+. Si l'on bloque la respiration (par un poison ou par le froid), la pompe s'arrête et les concentrations s'égalisent peu à peu : c'est la preuve qu'il s'agit d'un transport actif.
- 1Observation : la cellule contient beaucoup plus de K+ que le milieu extérieur
- 2La diffusion seule égaliserait les concentrations
- 3Or la différence se maintient tant que la cellule respire
- 4Quand la respiration est bloquée, les concentrations s'égalisent
- 5Conclusion : un transport actif, consommant de l'énergie (ATP), maintient la différence
Méthode
Pour identifier le mode de passage d'une substance à partir de résultats expérimentaux :
- Je compare la concentration de la substance dans la cellule et dans le milieu.
- Si elle va du plus concentré vers le moins concentré : transport passif (diffusion).
- Si elle s'accumule du côté le plus concentré : transport actif.
- Je confirme : si un poison respiratoire ou le froid arrête le passage, le transport consomme de l'énergie, il est actif.
3Je retiens
Je retiens
pH = −log[H3O+] ; pH < 7 acide, pH > 7 basique ; le sang reste entre 7,35 et 7,45.
Un système tampon (acide faible + base conjuguée) limite les variations de pH : H2CO3 / HCO3− dans le sang ; les protéines sont aussi des tampons.
Les macromolécules (protéines, amidon) forment des solutions colloïdales : effet Tyndall, états sol et gel, pas de passage à travers une membrane de dialyse.
Dialyse : une membrane semi-perméable laisse passer eau, ions, glucose, urée et retient protéines et amidon (rein artificiel).
Transports passifs (sans énergie) : diffusion simple, osmose, diffusion facilitée, dans le sens du gradient.
Transport actif : contre le gradient, avec de l'énergie (ATP) ; exemple : pompe Na+/K+.
4Erreurs fréquentes
- Croire que le pH varie proportionnellement à l'acidité : une baisse de 1 unité de pH correspond à 10 fois plus d'ions H3O+, pas à « un peu plus ».
- Confondre dialyse et osmose : l'osmose concerne le passage de l'eau ; la dialyse concerne le passage des petits solutés, les grosses molécules étant retenues.
- Dire que le transport actif se fait « du plus concentré vers le moins concentré » : c'est la définition de la diffusion ; le transport actif va en sens inverse et consomme de l'énergie.
- Penser qu'un tampon empêche tout changement de pH : il limite les variations, dans certaines limites seulement.
5Je m’exerce
1Exercice 1
(Questions de cours)
a) Définis un système tampon et cite le principal tampon du sang.
b) Qu'est-ce qu'une solution colloïdale ? Donne deux exemples de substances qui forment des colloïdes.
c) Cite deux différences entre la diffusion simple et le transport actif.
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a) Un système tampon est un mélange d'un acide faible et de sa base conjuguée qui limite les variations de pH lors d'un ajout d'acide ou de base. Dans le sang : le couple acide carbonique / hydrogénocarbonate (H2CO3 / HCO3^-).
b) C'est une dispersion dans l'eau de très grosses particules (environ 1 nm à 1 µm) qui restent en suspension et ne traversent pas les membranes de dialyse. Exemples : protéines (albumine du blanc d'œuf), amidon (ou glycogène, gélatine).
c) La diffusion simple se fait dans le sens du gradient (du plus concentré vers le moins concentré) et sans dépense d'énergie ; le transport actif se fait contre le gradient et consomme de l'énergie (ATP), fournie par la respiration.
2Exercice 2
Calcule :
a) le pH d'une solution où [H3O^+] = 10-3 mol/L ;
b) la concentration en ions H3O^+ d'une solution de pH 6 ;
c) combien de fois une solution de pH 3 est plus riche en ions H3O^+ qu'une solution de pH 6.
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a) pH = −log(10⁻³) = 3.
b) [H3O+] = 10⁻⁶ mol/L.
c) 10⁻³ ÷ 10⁻⁶ = 10³ = 1 000 fois plus.
3Exercice 3
On verse 1 mL d'acide chlorhydrique dilué dans 100 mL d'eau distillée et, dans un autre bécher, 1 mL du même acide dans 100 mL de plasma. Le pH passe de 7,0 à 3,0 dans l'eau et de 7,4 à 7,3 dans le plasma.
a) Compare les variations de pH.
b) Explique la différence en écrivant la réaction qui se produit dans le plasma.
Voir le corrigéCacher le corrigé
a) Dans l'eau, le pH baisse de 4 unités (7,0 → 3,0) ; dans le plasma, il baisse seulement de 0,1 unité (7,4 → 7,3).
b) Le plasma contient des tampons, surtout les ions hydrogénocarbonate, qui captent les ions H^+ apportés par l'acide : HCO3^- + H^+ → H2CO3. Les ions H^+ ne restent donc presque pas libres et le pH varie très peu. L'eau distillée ne contient aucun tampon.
4Exercice 4
Un sac de dialyse contient un mélange d'albumine, de glucose et de NaCl ; il est plongé dans l'eau distillée. Indique les substances que l'on retrouvera dans l'eau du bécher après deux heures, et propose un test pour chacune des deux substances organiques.
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Dans l'eau du bécher, on retrouve le glucose et les ions Na^+ et Cl^-, petites particules qui traversent la membrane. L'albumine, macromolécule, reste dans le sac.
Tests : glucose → liqueur de Fehling à chaud (précipité rouge brique, positif dans le bécher) ; albumine → réaction du biuret (violet dans le sac, négatif dans le bécher).
5Exercice 5
(Type examen) On place des fragments de racine de riz dans une solution contenant des ions potassium K^+ à une concentration de 1 mmol/L. On mesure la concentration en K^+ dans les cellules de la racine au cours du temps, dans trois conditions.
| Temps (min) | 0 | 30 | 60 | 90 |
|---|---|---|---|---|
| Condition 1 : 25 °C, solution aérée (mmol/L) | 1 | 10 | 20 | 30 |
| Condition 2 : 25 °C, poison respiratoire (mmol/L) | 1 | 1 | 1 | 1 |
| Condition 3 : 2 °C, solution aérée (mmol/L) | 1 | 2 | 3 | 3 |
a) Décris l'évolution de la concentration intracellulaire en K^+ dans la condition 1. Compare avec la concentration du milieu.
b) Ce passage peut-il s'expliquer par une simple diffusion ? Justifie.
c) Quelles informations apportent les conditions 2 et 3 ?
d) Conclus sur le mode de passage des ions K^+ et sur son origine énergétique.
Voir le corrigéCacher le corrigé
a) Dans la condition 1, la concentration en K^+ dans les cellules augmente régulièrement : de 1 à 30 mmol/L en 90 minutes. Elle devient 30 fois plus élevée que celle du milieu (1 mmol/L).
b) Non. Par diffusion, les ions iraient du milieu le plus concentré vers le moins concentré et s'arrêteraient à l'égalité (1 mmol/L). Ici, ils s'accumulent dans la cellule contre leur gradient de concentration.
c) Condition 2 : avec un poison respiratoire, l'accumulation ne se fait pas ; le passage dépend donc de la respiration. Condition 3 : à 2 °C, la respiration et les réactions cellulaires sont très ralenties ; l'accumulation est très faible. Le passage dépend d'une activité cellulaire.
d) Les ions K^+ entrent dans les cellules de la racine par transport actif, contre leur gradient de concentration. L'énergie nécessaire (ATP) est fournie par la respiration cellulaire.
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6Je vérifie
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