Chapitre 1 — Solutions, compartiments liquidiens et transports membranaires · Topic 3 : Transports transmembranaires · Leçon 3.3
Les leçons 3-1 et 3-2 portaient sur le transport du soluté. On s’intéresse ici au transport du solvant (l’eau) à travers une membrane hémiperméable — une membrane qui ne laisse passer que l’eau et non les solutés. Deux phénomènes entrent en jeu : l’osmose, pilotée par un gradient de concentration, et la filtration, pilotée par un gradient de pression. Les deux peuvent agir simultanément.
🎯 Objectifs pédagogiques
- Définir l’osmose et son équation QD = RT × LH × S × (Cosm1 − Cosm2) ;
- Définir la filtration et son équation QF = LH × S × (P1 − P2) ;
- Analyser le cas général où osmose et filtration opèrent simultanément ;
- Définir l’ultrafiltration et calculer un débit net.
🧭 Plan de la leçon
- Osmose — principe et équation
- Filtration (convection) — principe et équation
- Cas général — phénomènes simultanés
- Ultrafiltration
1. Osmose — principe et équation
- Provoquée par une différence de concentration en soluté (ΔC ≠ 0) de part et d’autre d’une membrane hémiperméable ;
- Moteur : mouvement brownien lié à la différence de concentration des solutés ;
- Transport diffusif du solvant — la loi de Fick s’applique aux molécules d’eau ;
- L’eau diffuse du compartiment à faible osmolalité vers le compartiment à haute osmolalité (sens inverse du soluté).
QD = dVosm/dt = RT × LH × S × (Cosm1 − Cosm2)
| Symbole | Grandeur | Valeur / Unité |
|---|---|---|
| QD | Débit osmotique (volume d’eau/temps) | m³/s |
| R | Constante des gaz parfaits | 8,31 J·mol⁻¹·K⁻¹ |
| T | Température absolue | K |
| LH | Perméabilité hydraulique de la membrane | m²·s·kg⁻¹ |
| S | Surface de la membrane | m² |
| Cosm1 − Cosm2 | Différence d’osmolalité entre les deux compartiments | osmol/kg |
Le flux d’eau est orienté du compartiment d’osmolalité faible (Cosm2) vers le compartiment d’osmolalité élevée (Cosm1), i.e. dans le sens de Cosm1 − Cosm2 > 0.
2. Filtration (convection) — principe et équation
- Provoquée par une différence de pression hydrostatique (ΔP ≠ 0) ;
- Flux de solvant du compartiment à haute pression vers le compartiment à basse pression ;
- La loi de Fick s’applique également aux molécules d’eau dans ce cas.
QF = dVfilt/dt = LH × S × (P1 − P2)
| Symbole | Grandeur | Unité |
|---|---|---|
| QF | Débit de filtration | m³/s |
| LH | Perméabilité hydraulique (même que pour l’osmose) | m²·s·kg⁻¹ |
| S | Surface de la membrane | m² |
| P1 − P2 | Différence de pression hydrostatique | Pa (kg·m⁻¹·s⁻²) |
Le flux d’eau suit le gradient de pression : du compartiment de haute pression (P1) vers le compartiment de basse pression (P2). À noter : LH est la même constante qu’en osmose — c’est une propriété intrinsèque de la membrane.
3. Cas général — phénomènes simultanés
En situation réelle, osmose et filtration coexistent souvent. Deux scénarios :
- Si les deux flux sont dans le même sens, ils s’additionnent : le débit net = QF + QD ;
- Si les deux flux sont en sens opposé, ils se soustraient : le débit net = QF − QD (ou QD − QF selon le sens dominant).
4. Ultrafiltration
L’ultrafiltration est un phénomène de filtration parasité par un flux osmotique allant en sens opposé. Le débit net est alors :
Qnet = QF − QD = LH × S × (P1 − P2) − RT × LH × S × (Cosm1 − Cosm2)
Si QD > QF, le flux osmotique l’emporte et le débit net de filtration est nul ou négatif (le solvant ne filtre plus). C’est ce qui se passe par exemple au niveau du capillaire glomérulaire rénal : la pression oncotique des protéines plasmatiques s’oppose à la filtration.
Le fait que LH apparaisse dans les deux équations (QD et QF) n’est pas anodin : il reflète que l’eau traverse le même support physique (aquaporines, espace intercellulaire) quelle que soit la force motrice (ΔC ou ΔP). Une membrane à LH élevé sera perméable à l’eau dans les deux cas. Les aquaporines (canal AQP) sont les principales structures qui augmentent LH.
Figure 3 — Convection sous gradient de pression : déplacement conjoint du solvant selon P1 > P2.🧠 À retenir absolument
- Membrane hémiperméable : ne laisse passer que l’eau (pas les solutés).
- Osmose : ΔC → eau du faible vers le fort en osmolalité. Équation : QD = RT × LH × S × (Cosm1 − Cosm2).
- Filtration : ΔP → eau du haut vers le bas en pression. Équation : QF = LH × S × (P1 − P2).
- LH : perméabilité hydraulique, en m²·s·kg⁻¹ — même pour osmose et filtration.
- R = 8,31 J·mol⁻¹·K⁻¹ (constante des gaz parfaits).
- Cas général : les deux phénomènes peuvent s’additionner ou se soustraire.
- Ultrafiltration : filtration + flux osmotique en sens opposé → Qnet = QF − QD.
❓ Questions fréquentes
Pourquoi l’eau va-t-elle du côté dilué vers le côté concentré en soluté ?
C’est contre-intuitif si on pense au soluté, mais logique si on pense à l’eau : du côté dilué en soluté, la concentration en eau (solvant) est plus élevée — il y a plus de molécules d’eau par unité de volume. L’eau suit son propre gradient de concentration, du plus concentré en eau (= moins concentré en soluté) vers le moins concentré en eau (= plus concentré en soluté). C’est la loi de Fick appliquée aux molécules d’eau.
Quelle est la différence entre la perméabilité hydraulique LH et le coefficient de diffusion D ?
D (m²/s) quantifie la facilité de diffusion d’une espèce dans un milieu — c’est un coefficient cinétique. LH (m²·s·kg⁻¹) quantifie la conductance hydraulique d’une membrane à l’eau — c’est un paramètre structurel de la membrane. Les deux apparaissent dans leurs équations respectives (Fick pour les solutés, QD/QF pour l’eau) mais ne s’échangent pas.
Pourquoi RT apparaît-il dans l’équation osmotique mais pas dans celle de filtration ?
RT est lié à la pression osmotique (loi de van’t Hoff : π = R × T × ΔC). En osmose, la force motrice est d’origine thermodynamique (agitation thermique des molécules d’eau), proportionnelle à RT × ΔC. En filtration, la force motrice est mécanique (ΔP) : elle s’exprime directement en pascals et n’implique pas RT. L’absence de RT dans QF traduit le fait que les deux phénomènes ont des origines physiques différentes.
Comment se calcule le débit net en cas d’ultrafiltration ?
Qnet = QF − QD = LH × S × (P1 − P2) − RT × LH × S × (Cosm1 − Cosm2). Si ce résultat est positif, la filtration l’emporte. S’il est nul, les deux s’annulent (équilibre de Starling). S’il est négatif, le flux osmotique domine et le solvant retourne vers le compartiment filtrant — c’est le phénomène de réabsorption dans les capillaires péritubulaires rénaux.
Les aquaporines jouent-elles un rôle dans la filtration ou seulement dans l’osmose ?
Les aquaporines augmentent LH, la perméabilité hydraulique — elles facilitent le passage de l’eau quelle que soit la force motrice. Elles interviennent donc autant dans l’osmose que dans la filtration. C’est pourquoi leur présence accélère les deux débits QD et QF. Les aquaporines AQP2 des cellules principales du tubule collecteur rénal sont régulées par l’ADH pour contrôler la réabsorption de l’eau (bilan de l’eau — voir Chapitre sur le bilan de l’eau, Physiologie UE3).
🚀 Pour aller plus loin
Contenu pédagogique original — Réussir SVT. L’équipe Réussir SVT.