Chapitre 2 — Compartiments liquidiens · Topic 1 : Solutions biologiques · Leçon 1.1
En biologie, les milieux de l’organisme sont des solutions aqueuses dont la composition gouverne les mouvements d’eau entre compartiments. Avant de comprendre ces échanges, il faut maîtriser le vocabulaire : mole, osmole, osmolarité, osmolalité, tonicité. Cette leçon pose ces fondations indispensables.
🎯 Objectifs pédagogiques
À la fin de cette leçon, tu sauras :
- distinguer solution, suspension et état colloïdal ;
- calculer le nombre d’osmoles à partir du nombre de moles et du coefficient de dissociation ν ;
- définir et calculer l’osmolarité et l’osmolalité ;
- relier osmolarité et osmolalité via la fraction aqueuse ;
- distinguer tonicité (osmolalité efficace) et osmolalité totale ;
- prédire le comportement d’un globule rouge en milieu hypo-, iso- ou hypertonique.
🧭 Plan de la leçon
- Solutions biologiques : solvant, solutés, suspensions
- De la mole à l’osmole
- Osmolarité et osmolalité
- Tonicité et comportement du globule rouge
1. Solutions biologiques : solvant, solutés, suspensions
Le milieu intérieur est un milieu aqueux. Il faut d’abord distinguer trois états :
| Type | Définition | Exemple biologique |
|---|---|---|
| Solution | Mélange homogène jusqu’au stade moléculaire : un solvant (l’eau) + des solutés (ions, glucose, urée…) | Le plasma déprotéiné |
| Suspension | Liquide contenant des microparticules dispersées, trop petites pour sédimenter spontanément | Le sang circulant (cellules dans le plasma) |
| État colloïdal | Intermédiaire entre solution et suspension (grosses macromolécules ou très fines particules) | Les protéines plasmatiques en suspension colloïdale |
Le sang n’est pas une solution mais une suspension. On ne parle donc pas de « concentration en hémoglobine dans le sang » mais de taux d’hémoglobine (120-160 g/L de sang chez l’adulte). En revanche, à l’intérieur du globule rouge, l’hémoglobine est en solution (concentration : 320-360 g/L de GR).
Le solvant est le composé liquide le plus abondant (l’eau dans les milieux biologiques). Les solutés sont les molécules ou ions dissous. On désigne chaque soluté par un indice i.
2. De la mole à l’osmole
La mole est la quantité de matière contenant NA = 6,02 × 1023 entités élémentaires (nombre d’Avogadro). Ce nombre a été choisi pour qu’une mole d’atomes de 12C ait une masse de 12 g.
Mais en biophysique, ce qui compte pour les échanges d’eau, ce n’est pas le nombre de molécules dissoutes, c’est le nombre d’unités cinétiques indépendantes (= particules libres). C’est la notion d’osmole.
nosm = ν × nmol
Le nombre d’osmoles est égal au nombre de moles multiplié par ν, le nombre d’unités cinétiques libérées par molécule en solution. Une espèce qui se dissocie totalement (électrolyte fort) libère ν entités.
| Espèce | Dissociation | ν | Exemple |
|---|---|---|---|
| NaCl | Na+ + Cl− | 2 | 1 mmol de NaCl → 2 mosmol |
| CaCl2 | Ca2+ + 2 Cl− | 3 | 1 mmol de CaCl2 → 3 mosmol |
| K2SO4 | 2 K+ + SO42− | 3 | 1 mmol de K2SO4 → 3 mosmol |
| Glucose | Pas de dissociation | 1 | 1 mmol de glucose → 1 mosmol |
On parle d’électrolyte fort quand la dissociation est totale (cas le plus courant en exercice) et d’électrolyte faible quand elle est partielle.
Pour CaCl2, la dissociation donne 1 Ca2+ + 2 Cl−, soit ν = 3 (et non 2). Si on dissout 2 mmol de CaCl2 dans 1 L : [Ca2+] = 2 mmol/L, [Cl−] = 4 mmol/L, osmolarité = 6 mosmol/L.
3. Osmolarité et osmolalité
Ces deux grandeurs mesurent la quantité totale de particules osmotiquement actives dans une solution, mais ne s’expriment pas par rapport au même volume :
| Grandeur | Définition | Unité | Référence |
|---|---|---|---|
| Osmolarité (Cosmolaire) | Somme des concentrations molaires de toutes les espèces en solution | osmol/L | Volume de solution |
| Osmolalité (Cosmolale) | Somme des concentrations molales de toutes les espèces en solution | osmol/kg | Masse de solvant (eau) |
La relation entre les deux passe par la fraction aqueuse (φ) :
φ = VH2O / Vsolution
Cosmolaire = φ × Cosmolale
Pour le plasma, φ ≈ 0,93 (7 % du volume est occupé par les protéines). Pour une solution de petits ions (volume négligeable), φ ≈ 1 et osmolarité ≈ osmolalité.
Exemple — glucose dans 1 L d’eau. On dissout 60 g de glucose (M = 180 g/mol, ρsolution = 1030 g/L) dans 1 L d’eau :
- n = 60/180 = 0,333 mol ; nosm = 0,333 osmol (ν = 1).
- Vsolution = (1000 + 60)/1030 = 1,029 L (les masses s’additionnent, pas les volumes).
- Molarité = 0,333/1,029 = 0,324 mol/L. Molalité = 0,333/1 = 0,333 mol/kg.
- Glucose non dissocié → osmolarité = molarité ; osmolalité = molalité.
Complément hors cours. En clinique, c’est l’osmolalité qui est mesurée en laboratoire (par osmomètre à abaissement du point de congélation), car elle ne dépend pas du volume et n’est pas affectée par les lipides ou les protéines plasmatiques. L’osmolarité est calculée, pas mesurée directement.
Solution diluée
Une solution aqueuse est dite diluée si :
- la fraction molaire de l’eau fH2O = nH2O / ntotal ≥ 99 % ;
- ou, de façon équivalente, si l’osmolalité est inférieure à 560 mosmol/kg (dans 1 kg d’eau, il y a environ 56 osmoles de molécules d’eau).
Le plasma (≈ 311 mosmol/kg) et le milieu intracellulaire (≈ 300 mosmol/kg) sont des solutions diluées. Dans ce cas, fraction molaire de l’eau ≈ 1 et les propriétés colligatives s’appliquent.
4. Tonicité et comportement du globule rouge
La tonicité est l’osmolalité efficace : elle ne tient compte que des solutés qui ne traversent pas la membrane cellulaire et qui exercent donc réellement un pouvoir osmotique.
L’urée diffuse librement à travers la membrane cellulaire : elle s’équilibre rapidement de part et d’autre et son osmolalité efficace est nulle. Elle ne compte pas dans la tonicité. Le NaCl, en revanche, ne traverse pas (la membrane est peu perméable au Na+) : il compte dans la tonicité.
L’osmolalité intérieure du globule rouge est d’environ 300 mosmol/kg. Selon la tonicité du milieu extérieur, le GR se comporte différemment :
| Milieu | Osmolalité efficace | Flux d’eau | Conséquence |
|---|---|---|---|
| Hypotonique | < 300 mosmol/L | Entrant | Turgescence → hémolyse si < 100 mosmol/L |
| Isotonique | = 300 mosmol/L | Aucun flux net | Forme biconcave conservée |
| Hypertonique | > 300 mosmol/L | Sortant | Crénation (plasmolyse) dès ~500 mosmol/L |
On ne perfuse jamais d’eau pure à un patient : c’est une solution très hypotonique qui provoquerait l’hémolyse (éclatement) des globules rouges. Les perfusions sont isotoniques (NaCl 0,9 % = sérum physiologique, ~308 mosmol/L).
Complément hors cours. L’hémolyse se déroule en deux temps : entre 200 et 100 mosmol/L, le GR gonfle et commence à libérer de l’hémoglobine (début d’hémolyse) ; en dessous de 100 mosmol/L, l’hémolyse est totale. En clinique, une hémoglobinémie détectable dans le plasma (normalement nulle) signe une hémolyse pathologique.
🧠 À retenir absolument
- Solution vs suspension : le sang est une suspension, pas une solution.
- Osmole : nosm = ν × nmol. NaCl → ν = 2 ; CaCl2 → ν = 3 ; glucose → ν = 1.
- Osmolarité (osmol/L de solution) vs osmolalité (osmol/kg de solvant) : reliées par la fraction aqueuse φ.
- Pour le plasma : φ ≈ 0,93 ; osmolalité ≈ 311 mosmol/kg.
- Tonicité = osmolalité efficace : ne compte que les solutés non diffusibles (pas l’urée).
- Milieu hypotonique → flux d’eau entrant → turgescence → hémolyse ; hypertonique → crénation.
❓ Questions fréquentes
Quelle est la différence entre osmolarité et osmolalité ?
L’osmolarité s’exprime par litre de solution, l’osmolalité par kilogramme de solvant (eau). Elles sont reliées par la fraction aqueuse : osmolarité = φ × osmolalité. Pour des petits ions en solution diluée, φ ≈ 1 et les deux sont quasi identiques. Pour le plasma (φ ≈ 0,93), elles diffèrent légèrement.
Pourquoi l’urée ne compte-t-elle pas dans la tonicité ?
Parce que l’urée traverse librement la membrane cellulaire : elle s’équilibre rapidement de part et d’autre. Elle ne crée donc aucun gradient osmotique efficace. Seuls les solutés qui ne passent pas la membrane (Na⁺, Cl⁻, glucose à court terme) contribuent à la tonicité.
Pourquoi le sang est-il une suspension et non une solution ?
Parce qu’il contient des cellules (globules rouges, blancs, plaquettes) en suspension dans le plasma. Ces éléments figurés ne sont pas dissous au niveau moléculaire. C’est pourquoi on parle de « taux » d’hémoglobine dans le sang (pas de « concentration »).
Que signifie « électrolyte fort » ?
Un électrolyte fort est une espèce chimique qui se dissocie totalement dans l’eau. NaCl est un électrolyte fort : en solution, il n’existe plus sous forme NaCl, uniquement sous forme Na⁺ et Cl⁻. C’est le cas le plus courant en exercice PASS/LAS.
Pourquoi perfuse-t-on du NaCl 0,9 % plutôt que de l’eau pure ?
Le NaCl 0,9 % (sérum physiologique) a une osmolalité d’environ 308 mosmol/L, isotonique au plasma. L’eau pure est très hypotonique : elle provoquerait un flux massif d’eau dans les globules rouges par osmose, entraînant leur gonflement puis leur hémolyse (éclatement).
🚀 Pour aller plus loin
Tu connais maintenant les unités fondamentales. Explore les conversions entre concentrations et la pression osmotique :
Contenu pédagogique original — Réussir SVT. L’équipe Réussir SVT.