La diffusion dans la cellule est le transport passif du soluté dans son gradient de concentration. En biologie, le gradient de concentration existe à travers une membrane plasmique semi-perméable, de sorte que la concentration de solutés est plus élevée d'un côté de la membrane que de l'autre côté.
La force motrice du mouvement des solutés pendant la diffusion est la différence de concentration à travers une membrane qui forme un gradient de concentration. Il dirige le mouvement du soluté vers le bas du gradient jusqu'à ce que le flux net de solutés à travers la membrane devienne égal.
Qu'est-ce que la diffusion dans une cellule ?
La diffusion dans la cellule est le processus par lequel les solutés d'une région de concentration élevée se déplacent vers la région de faible concentration jusqu'à ce que l'équilibre soit atteint, sans y dépenser d'énergie ou d'ATP. Les solutés traversent la membrane plasmique soit par diffusion simple, soit par diffusion facilitée, en descendant le gradient de concentration.
Qu'est-ce que la diffusion fait à la cellule?
La diffusion permet à différents types de molécules d'entrer et d'exister dans les cellules à travers leur membrane plasmique en fonction des besoins des cellules ou des réactions métaboliques et régulatrices se déroulant à l'intérieur de la matrice cellulaire.
- Gaz: Des gaz tels que l'oxygène, le dioxyde de carbone et le monoxyde de carbone peuvent traverser la membrane plasmique par simple diffusion.
- Molécules polaires et chargées : Les molécules polaires et chargées telles que les ions, les glucides, les acides aminés, les nucléosides ne peuvent traverser la membrane plasmique qu'à travers les protéines facilitatrices présentes dans la membrane plasmique.
- Molécules non polaires et non chargées : De petites molécules non polaires et non chargées ainsi que certaines molécules organiques hydrophobes peuvent traverser la membrane plasmique par simple diffusion.
La diffusion affecte-t-elle les cellules ?
La diffusion affecte une cellule de différentes manières. Il peut affecter la concentration de solutés dans la matrice cellulaire, modifier le volume et la taille des cellules s'il subit une osmose et entraîner des changements conformationnels dans les protéines membranaires de la cellule.
Comment la diffusion affecte-t-elle les cellules ?
La diffusion peut affecter la taille de la cellule si la cellule subit un type spécial de diffusion appelé osmose. En osmose, l'eau qui est un solvant polaire traverse la membrane plasmique à la place des solutés dissous dans l'eau. Par conséquent, l'absorption et la libération de ces molécules d'eau en réponse aux différentes concentrations de soluté à travers la membrane entraînent respectivement une augmentation et une diminution du volume et de la taille des cellules.
Comment la diffusion affecte-t-elle la taille des cellules ?
L'osmose, qui est un type particulier de diffusion dans la cellule, affecte le volume d'une cellule en fonction du type de solution dans laquelle une cellule est placée ou est entourée en raison de l'échange de soluté et de solvants qui a lieu jusqu'à ce que l'équilibre soit atteint. Là encore, son effet est légèrement différent dans les cellules animales et végétales. Ces effets sont de nature réversible et les cellules peuvent retrouver leurs dimensions d'origine en quelques minutes en établissant un équilibre entre la concentration de soluté à l'intérieur et à l'extérieur de la cellule.
Lorsque deux solutions de concentration de soluté différente sont séparées par une membrane semi-perméable, les molécules d'eau de la solution hypertonique ou hyperosmotique se déplacent à travers la membrane semi-perméable vers la solution hypotonique ou hypoosmotique. Hypertonique les solutions ont une concentration de soluté comparativement plus élevée par rapport à celle de la cellule, tandis que le hypotonique les solutions ont une concentration de soluté comparativement inférieure à celle de la cellule. isotoniques ou des solutions isoosmotiques, par contre ont la même concentration en soluté que celle de la cellule.
Lorsqu'elle est placée dans une solution hypotonique par rapport à celle de la concentration de soluté intracellulaire, une cellule a tendance à gagner de l'eau par endosmose. Les cellules animales peuvent s'imbiber d'eau et augmenter de volume jusqu'à ce qu'elles éclatent tandis que, dans la cellule végétale, la paroi cellulaire aide à maintenir un volume constant. Les cellules reviennent généralement à un état d'équilibre en réduisant leur pression interne qui est obtenue en perdant les solutés. Une cellule plasmolysée peut également être ramenée à son volume d'origine en la plaçant dans une solution hypotonique.
Lorsqu'il est placé dans une solution hypertonique, une cellule a tendance à perdre toute l'eau au profit de la solution environnante par le processus de exosmose parce que la concentration de soluté intracellulaire est hypotonique en comparaison. Les cellules animales rétrécissent en raison de la perte d'eau et de la diminution du volume cellulaires alors que, les cellules végétales restent intactes en raison de la présence de la paroi cellulaire mais sa membrane cellulaire se détache de la paroi cellulaire et la matrice diminue de volume. Cellule végétale dans laquelle la matrice cellulaire est fortement réduite, Que l'on appelle un cellule plasmolysée.
Où se produit la diffusion dans la cellule ?
La diffusion dans la cellule se produit au niveau de la membrane plasmique d'une cellule, où les solutés ou le solvant (comme dans le cas de l'osmose) peuvent diffuser dans et hors de la cellule via différentes méthodes. Les solutés peuvent subir une diffusion simple ou une diffusion facilitée. En diffusion simple, de petites molécules non chargées, de l'eau et des gaz peuvent traverser la bicouche lipidique sans l'aide de protéines porteuses. Ainsi, la diffusion simple peut se produire presque n'importe où dans la membrane plasmique des cellules.
La diffusion facilitée est réalisée à l'aide de protéines porteuses ou canaux protéiques qui sont des protéines membranaires intégrales spécialisées. Ces les protéines membranaires sont hautement sélectives et ne répondent qu'à des molécules sélectionnées qui sont autorisés à les traverser, alors qu'ils ne répondent pas aux autres et ne leur permettent pas de traverser. Ainsi, la diffusion facilitée d'un soluté donné ne peut se produire qu'à des sites spécifiques de la membrane plasmique de la cellule où les protéines membranaires intégrales spécifiques au soluté donné sont présentes.
Quand la diffusion se produit-elle dans la cellule ?
La diffusion dans la cellule se produit à travers la membrane plasmique soit pour absorber les solutés présents à l'extérieur et nécessaires à diverses fonctions à l'intérieur de la cellule, soit pour libérer les solutés excédentaires hors de la cellule car ils ne sont plus nécessaires à l'intérieur de la cellule ou sont nécessaires à l'extérieur de la cellule. cellule.
Comme, la diffusion dans la cellule se produit dans le gradient de concentration, les solutés ne peuvent traverser la bicouche lipidique que si sa concentration d'un côté de la membrane est supérieure à celle de l'autre côté. Lorsque de telles différences dans le gradient de concentration sont formées ou présentes, les solutés traversent la membrane plasmique du côté de la concentration de soluté la plus élevée vers celui de la concentration de soluté la plus faible. L'échange de soluté se produit jusqu'à ce que la concentration des deux côtés devienne égale.
Comment se produit la diffusion dans la cellule ?
La diffusion dans la cellule des différents solutés dépend de leur taille, charge, polarité, perméabilité, hydrophobicité et hydrophilie. Par conséquent, chaque type de soluté suit une méthode différente et est transporté à l'aide de différents transporteurs facilitateurs en cas de transport facilité. Les détails de la diffusion dans la cellule de certains des solutés tels que l'eau, les lipides, les ions et les molécules chargées sont mentionnés ici.
Eau
- Pores statistiques : L'eau, ayant une taille relativement plus petite, est capable de traverser facilement la bicouche lipidique à travers des pores statistiques qui sont structures non statiques. Ces pores avec un diamètre d'environ 4.2 Å se forment lorsque les molécules phospholipidiques adjacentes dans la membrane cellulaire se déplacent latéralement mais dans des directions opposées.
- Entorses : Les nœuds sont défauts structuraux mobiles dans les chaînes acyle des phospholipides qui sont causés par la fusion de la chaîne acyle. Ces plis peuvent permettre à l'eau de les traverser.
- Aquaporines : Les aquaporines sont un membre de la grande famille des protéines intrinsèques qui permettent une diffusion facilitée de l'eau, à l'intérieur et à l'extérieur de la cellule. Chez les plantes, les aquaporines sont présentes à la fois dans la membrane cellulaire et dans la membrane de la vacuole, appelées respectivement protéine intrinsèque de la membrane plasmique et protéine intrinsèque du tonoplaste. Ceux-ci sont plus fréquents dans les cellules qui sont fortement investies dans le transport de l'eau telles que les cellules du Tubules rénaux chez les animaux et la cellule de racines dans les plantes.
Lipides
Les molécules lipidiques peuvent facilementy diffusent dans et hors de la cellule en raison de leur nature hydrophobe. La perméabilité des lipides est directement proportionnelle à sa solubilité. Une pénétration plus rapide signifie que le soluté a une plus grande solubilité dans les lipides.
- Les lipides prennent une temps de diffusion comparativement plus long à travers la bicouche lipidique parce que le cytosquelette à base d'actine présent à la surface cytoplasmique de la membrane cellulaire provoque la formation de compartiments.
- Entrave stérique et ralentissement circonférentiel élevé autour de la protéines transmembranaires qui sont ancrés au réseau du cytosquelette d'actine, conduit à confinement temporaire des phospholipides présent dans la membrane cellulaire.
- Le ralentissement circonférentiel est causé par la grande quantité de frottement hydrodynamique cela se produit lorsqu'une grande quantité de phospholipides s'accumule près des protéines transmembranaires.
- Ces compartiments médient la localisation de la réponse intracellulaire dans les régions où la réception du signal extracellulaire s'est produite.
Ions et molécules chargées
La bicouche lipidique est hautement imperméable aux particules chargées ou même aux petits ions tels que H+, HCO3-, Na+, K+, Ca2+ et Cl-. Étant donné que ces ions sont essentiels aux activités cellulaires de plusieurs multitudes, notamment la réception et la conduction de l'influx nerveux chez les animaux, l'ouverture des pores des stomates chez les plantes, la contraction musculaire chez les animaux, la régulation du transport d'autres grandes protéines dans et hors de membrane cellulaire des deux plantes et les animaux.
La diffusion des ions à l'intérieur et à l'extérieur des cellules est facilitée par certains canaux protéiques membranaires intégrés qui sont sélectifs et ne laissent passer que certains types d'ions. Les canaux ioniques peuvent permettre l'entrée ou la sortie d'ions en millions par seconde, sans aucune dépense d'énergie.
- Canaux ioniques voltage-dépendants : Canal membranaire protéines qui agissent sous l'influence de la charge différence à travers la bicouche lipidique, sont appelés canaux ioniques voltage-dépendants. La différence de charge entre la matrice intracellulaire et extracellulaire médie l'ouverture et la fermeture de ces canaux ioniques. Cellules neuronales et musculaires ont de tels canaux ioniques qui aident respectivement à la conduction des impulsions et au mouvement musculaire.
- Canaux ioniques dépendants du ligand : Ces canaux ioniques subissent des changements conformationnels lorsque le les ligands se lient à eux sur la surface externe ou interne/cytosolique de la membrane plasmique, permettant ainsi le passage de solutés ou d'ions dans ce cas, à travers la membrane. Le point à noter ici est qu'un le ligand n'est ni le soluté ni n'est transporté à travers la membrane, il fait plutôt partie du système de signalisation. Lorsque l'acétylcholine, un neurotransmetteur, se lie à la surface externe des canaux pour faciliter la conductance de l'influx nerveux au niveau des synapses. Alors que l'AMPc se lie à la surface interne de certains canaux ioniques calcium.
- Canaux ioniques déclenchés mécaniquement : De tels canaux changent de conformation en réponse à des forces mécaniques. Les cellules ciliées de l'oreille interne ouvrent des canaux ioniques en se pliant en réponse aux ondes sonores. Les ions transportés participent alors à la formation de l'influx nerveux.
Type de diffusion dans la cellule
La diffusion ou diffusion passive de solutés à travers une membrane semi-perméable peut être largement classée en deux types en fonction du besoin de canaux protéiques pour le transport.
Diffusion passive simple
Le soluté diffuse à travers la bicouche lipidique en diffusant simplement dans et hors de la cellule. Les molécules qui peuvent traverser la membrane cellulaire par simple diffusion passive sont les gaz, l'eau et les petits solutés non chargés. Le processus de diffusion passive simple nécessite de l'énergie pour traverser une membrane bicouche, mais pas sous la forme d'ATP. L'énergie pour traverser la membrane provient de l'eau d'hydratation, c'est-à-dire du nombre de groupes hydroxyle (-OH) attachés à une molécule de soluté. Le processus se déroule en trois étapes-
- Le soluté perd les eaux d'hydratation.
- Le soluté déshydraté traverse la bicouche phospholipidique.
- Il récupère l'eau d'hydratation de l'autre côté de la membrane cellulaire.
L'énergie d'activation pour la diffusion à travers la bicouche lipidique est directement proportionnelle à l'eau d'hydratation présente sur le soluté. La seule exception à cette relation étant l'eau car elle a une perméabilité extrêmement élevée.
Diffusion passive facilitée
Le soluté diffuse dans et hors des bicouches lipidiques à des endroits particuliers à l'aide de protéines membranaires intégrales spécifiques au soluté, également appelées transporteurs facilitateurs. Il existe deux types de protéines impliquées dans la diffusion facilitée, les protéines porteuses et les protéines de canal.
Lorsque le soluté se lie aux protéines porteuses d’un côté, cela provoque un changement de conformation de celles-ci. Cette conformation modifiée de la protéine facilite le mouvement des particules de soluté à travers elle et à travers la bicouche lipidique dans les deux sens, d'une région de concentration élevée en soluté vers la région de concentration inférieure en soluté, jusqu'à ce que l'équilibre soit atteint. D'un autre côté, protéine de canals permettent la libre diffusion de toute molécule ayant une taille appropriée et pouvant s'insérer dans le pore qui traverse le protéine de canal.
Diffusion dans le métabolisme cellulaire
La diffusion dans la cellule a un rôle vital à jouer dans le métabolisme cellulaire car elle a la capacité de réguler les réactions métaboliques qui se produisent dans une cellule, mais la diffusion peut également être affectée par plusieurs facteurs.
- Le gradient de concentration: L'étendue du transport du soluté dépend de la différence entre la concentration du soluté des deux côtés de la membrane. Plus la différence est grande, plus la vitesse de diffusion des solutés à travers la membrane est élevée et rapide.
- Taille et masse du soluté: La vitesse de diffusion est indirectement proportionnelle à la taille des molécules. Les solutés ayant une taille plus grande ou une masse plus élevée mettent plus de temps à diffuser à travers la bicouche lipidique.
- Taille de la cellule : La taille de la cellule ou le diamètre de la cellule est également inversement proportionnel au taux de diffusion. Une cellule de plus petite taille aura un taux de diffusion plus rapide car la distance à parcourir est moindre alors que, dans une cellule de plus grand diamètre, la distance parcourue par le soluté sera plus grande et donc le taux de diffusion deviendra lent.
- Interaction avec d'autres molécules : Si les solutés de plus petite taille interagissent avec des protéines plus grosses, son taux de diffusion est fortement réduit par rapport au moment où il n'était pas impliqué dans une telle interaction. Cela se produit parce que les plus petits solutés ne sont plus aussi libres de diffuser car leur interaction avec les molécules plus grosses entrave leur libre circulation.
- Température: La température est directement proportionnelle au mouvement du soluté dans une solution et est donc également directement proportionnelle au taux de diffusion. Lorsqu'une solution est à haute température, ses solutés gagnent beaucoup d'énergie et leur mouvement aléatoire devient très rapide. En conséquence, ces molécules diffusent également plus rapidement.
Rôle de la diffusion dans le métabolisme cellulaire
- Le glucose subit une diffusion facilitée lorsque sa concentration dans le sang est supérieure à celle des cellules des muscles squelettiques et des tissus adipeux, à l'aide des transporteurs de protéines GLUT. Parmi les nombreuses protéines de la famille GLUT, GLUT4 est activée par l'insuline. Lorsque l'insuline se lie à la protéine de transport GLUT4, elle permet une diffusion facilitée à très haut débit dans les tissus sensibles à l'insuline. Ainsi, l'insuline maintient le niveau de glucose dans le sang à la normale.
- Comme le glucose joue un rôle vital dans le métabolisme cellulaire, il est nécessaire en grande quantité à l'intérieur de la matrice cellulaire, mais le gradient de concentration peut interdire l'afflux de glucose dans la cellule lorsque l'équilibre est atteint. Afin d'empêcher le gradient de concentration d'atteindre l'équilibre, les molécules de glucose subissent une phosphorylation lorsqu'elles pénètrent à travers la membrane cellulaire. La phosphorylation abaisse la concentration intracellulaire de glucose et permet un afflux constant de glucose dans la cellule.
- Les neurones maintiennent un état de polarisation ou un potentiel de membrane au repos en ayant un excès d'ions sodium à l'extérieur de la membrane cellulaire et un excès d'ions potassium à l'intérieur de celle-ci. Lorsque le nerf reçoit un stimulus, les canaux contrôlés par les ions sodium-potassium s'ouvrent pour permettre à un ion sodium d'entrer dans la cellule et à deux ions potassium de sortir de la cellule. Cela conduit à la dépolarisation de la membrane et le potentiel d'action se déplace le long de la membrane, entraînant la transmission de l'influx nerveux.
- L'hémoglobine présent dans le sang se lie généralement à l'oxygène à certains sites particuliers et subit une diffusion facilitée. En dehors de cela, l'oxygène est également échangé par simple diffusion. Le dioxyde de carbone et le monoxyde de carbone sont également échangés entre les alvéoles et les capillaires sanguins par diffusion d'une manière similaire.
Rôle de la diffusion dans Cell
- Protéines GLUT4: La liaison de l'hormone insuline aux protéines de transport GLUT4 entraîne un afflux de molécules de glucose excédentaires à l'intérieur des cellules par diffusion facilitée.
- Signalisation des messagers secondaires : les messagers secondaires sont généralement de petites molécules ou des ions impliqués dans la transmission des signaux des récepteurs présents sur la membrane plasmique à plusieurs autres protéines intracellulaires et déclenchent une cascade de signalisation. L'influx des messagers secondaires à l'intérieur de la matrice cellulaire se fait par diffusion facilitée.
- L'osmose comme mode de diffusion particulier : l'osmose est importante dans les cellules des animaux et des plantes. Ces cellules sont impliquées dans l'absorption de l'eau, comme l'absorption de l'eau du sol par les poils absorbants, la réabsorption de l'eau par les tubules contournés proximaux et distaux présents dans les reins des animaux, la réabsorption du liquide tissulaire dans les capillaires sanguins et l'absorption de l'eau dans le tube digestif des animaux.
- Filtration du sang : les reins des animaux sont impliqués dans l'élimination des déchets par le processus de diffusion à la fois simple et facilitée.
- Respiration : la diffusion dans la cellule permet également l'échange de gaz entre les alvéoles des poumons et les capillaires du sang pour permettre la respiration.. Les échanges de gaz chez les animaux aquatiques suivent également un mécanisme similaire. Les gaz échangés étant non chargés, ils subissent une simple diffusion.
- Absorption des aliments : les aliments qui sont digérés dans les voies digestives contiennent une certaine quantité de nutriments liposolubles tels que la vitamine A, D, R et K, qui peuvent facilement passer à travers les cellules présentes dans les villosités, dans le vaisseau sanguin par le processus. de diffusion simple.
Diffusion dans le transport cellulaire
La diffusion dans la cellule est principalement responsable du transport cellulaire de oxygène, dioxyde de carbone, glucose, acides aminés et graisses.
- Filtration du sang : Chez les animaux, les cellules des reins sont responsables de l'élimination des déchets comme l'urée, la créatinine et l'excès de liquide du sang par le processus de diffusion. Le même principe de diffusion est appliqué lors de la dialyse du sang des patients qui ont des troubles de la fonction rénale.
- Respiration: L'hémoglobine présente dans le sang se lie généralement à l'oxygène à certains sites particuliers et subit diffusion facilitée. Mis à part cela, l'oxygène est également échangé par simple diffusion. Le dioxyde de carbone et le monoxyde de carbone sont également échangés entre les alvéoles et les capillaires sanguins par diffusion d'une manière similaire.
- Diffusion dans les plantes : La diffusion est responsable de la survie des plantes car elles permettent la cellules des racines pour absorber l'eau du sol environnant. Les plantes ont besoin d'une grande quantité d'eau pour maintenir leur turgescence tant au niveau cellulaire qu'organique. En cas de perte d'excès d'eau, qui se produit également par diffusion, les plantes flétrissent et peuvent se dessécher si la perte d'eau n'est pas compensée.
Diffusion dans la membrane cellulaire
La diffusion dans une cellule se produit à l'interface de surface cellulaire qui interagit à la fois avec la matrice extracellulaire et la matrice cellulaire. Sous la direction du gradient de concentration, les solutés d'une région de concentration élevée se déplacent vers la région de faible concentration. Les solutés peuvent traverser la membrane plasmique soit par diffusion simple, soit par diffusion facilitée dans laquelle les protéines porteuses et le canal protéique sont impliqués. Le type de diffusion subi par un soluté dépend de sa taille, de sa masse, de sa charge, de sa polarité, de son hydrophilie ou hydrophobicité et de la température.
Diffusion facilitée dans la cellule
La diffusion facilitée est un type de diffusion passive dans lequel le mouvement du soluté, en particulier les solutés polaires, se produit à l'aide de protéines membranaires hautement spécifiques, également appelées transporteurs facilitateurs. La liaison du soluté à la surface de ces canaux protéiques intégraux entraîne une modification de leur conformation, permettant au soluté de les traverser et de traverser la bicouche lipidique, en descendant le gradient de concentration. La différence de concentration des solutés des deux côtés de la membrane plasmique décide de la direction du flux net.
Les transporteurs facilités peuvent être saturés si l'afflux ou le flux sortant de solutés dépasse la capacité maximale. Ils peuvent laisser passer quelques centaines à des milliers de solutés chaque seconde.
Conclusion
La diffusion joue un rôle essentiel dans le métabolisme cellulaire et la signalisation cellulaire par des diffusions simples ou facilitées ou par osmose. La compréhension du mécanisme de diffusion à chaque interface peut nous donner un bon aperçu de la façon dont une cellule accomplit ses activités.
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