Définition de la solution hypertonique
Une solution hypertonique contient une concentration plus élevée de solutés par rapport à une autre solution. La solution opposée, dont la concentration est plus faible, est appelée solution hypotonique. Les scientifiques doivent décrire le contenu des cellules par rapport à l’environnement. Si une cellule est placée dans une solution hypertonique, la cellule est considérée comme hypotonique.
Vue d’ensemble des solutions hypertoniques
Si le cytosol de la cellule est une solution hypertonique, cela signifie que l’environnement est hypotonique, ou plus faiblement concentré. Ceci est d’une grande importance car les solutés et l’eau ont tendance à s’écouler ou à diffuser le long de leurs gradients. Deux solutions mélangées ensemble finiront par devenir une seule solution. Si les solutions sont séparées par une membrane perméable qui ne laisse passer que l’eau, les solutions deviennent isotoniques lorsque l’eau se déplace entre les deux solutions. Les solutions isotoniques ont des concentrations égales, bien qu’elles puissent avoir des volumes différents.
Ce mouvement des ions et de l’eau est extrêmement important pour les cellules. Les cellules utilisent les gradients ioniques pour un certain nombre de raisons. Par exemple, les cellules végétales utilisent une solution hypertonique dans leur vacuole centrale pour aider à attirer l’eau dans la vacuole. Cette dernière se dilate et permet aux plantes de créer une pression de turgescence dans leurs cellules. Les cellules animales, en particulier les cellules nerveuses, dépendent d’une solution hypertonique et des ions qu’elle contient pour créer un potentiel d’action ou un signal nerveux. L’activité électrique de ces cellules repose sur les charges positives et négatives des ions de la solution hypertonique.
Exemples de solution hypertonique
Rein humain
Pour réguler la quantité d’eau dans le corps, le cerveau humain possède des protéines spéciales appelées osmorécepteurs, qui peuvent mesurer l’osmolarité du milieu entourant la cellule. Si l’environnement devient une solution fortement hypertonique, c’est parce qu’il n’y a pas assez d’eau dans le sang pour diluer les solutés. L’hypothalamus libère des hormones tout en augmentant la perméabilité des membranes dans le rein. Le rein résorbe l’eau qui aurait été excrétée et la réintroduit dans la circulation sanguine. Le sang devient plus isotonique par rapport aux cellules et les processus normaux peuvent continuer.
Osmorégulation de la tortue de mer
Par rapport à l’eau douce, l’eau salée est une solution hypertonique. Cela signifie que pour que les cellules fonctionnent, elles doivent contenir un cytosol qui est une solution plus hypertonique que l’eau salée. Les tortues de mer, par exemple, vivent dans une solution beaucoup plus hypertonique que les tortues d’eau douce. Si vous mettez une tortue d’eau douce dans de l’eau de mer, l’eau de mer hypertonique va déshydrater la tortue. Au lieu d’être hydratée par l’eau, l’eau de l’océan dense en solutés va tirer de l’eau du corps pour équilibrer la différence d’osmolarité.
Pour surmonter cet obstacle, les tortues de mer et d’autres animaux marins ont développé des voies uniques pour éliminer l’excès de sels. Les sels passent du tube digestif dans la circulation sanguine. Lorsqu’ils atteignent la glande saline, ils sont éliminés. Cela crée un environnement interne plus élevé en solutés, mais qui ne perd pas de quantités excessives d’eau dans l’environnement.
Les plantes en solution hypertonique
Généralement, les plantes préfèrent vivre dans des environnements hypotoniques. Dans un environnement hypotonique, l’eau inonde facilement les cellules végétales et elles peuvent rester turgescentes, ou rigides, en raison des pressions exercées sur leurs parois cellulaires par l’afflux d’eau. Les plantes utilisent ce potentiel hydrique pour donner une structure à leur corps et faire circuler l’eau des racines vers le sommet de la plante. Cependant, de nombreuses plantes se sont adaptées pour vivre dans des environnements hypertoniques. Les marais en bord de mer, les mangroves et autres eaux saumâtres contiennent une teneur en sel beaucoup plus élevée que l’eau douce. Le sol devient saturé de ces sels, créant une concentration de solutés beaucoup plus élevée dans le sol.
La plupart des plantes se ratatineraient si elles étaient transplantées dans cet habitat, mais un groupe spécial de plantes connu sous le nom de Halophytes a évolué pour surmonter cet obstacle. En augmentant l’osmolarité de leurs racines, les plantes sont capables de passer d’un environnement hypotonique à l’intérieur de la cellule par rapport à l’environnement, à une solution hypertonique dans le cytosol. Cela abaisse le potentiel hydrique des cellules des racines et permet à l’eau de pénétrer dans les cellules. Les cellules stockent les sels en excès dans les racines ou transportent les sels vers les feuilles, où ils peuvent être excrétés par des glandes.
Une cellule en solution hypertonique
La membrane plasmique qui entoure les cellules est une membrane perméable spéciale qui sépare le contenu de la cellule de l’environnement. La membrane plasmique est encastrée avec des protéines spéciales de transport membranaire qui aident à transporter les solutés à travers. Elle possède également des canaux protéiques spéciaux appelés aquaporines qui permettent à l’eau de s’écouler librement à travers la membrane. La cellule doit utiliser de l’énergie pour faire entrer et sortir activement les solutés de la cellule. Si les solutés sont trop nombreux, le cytosol devient une solution hypertonique par rapport à l’environnement. Les cellules sans paroi cellulaire peuvent éclater dans cette condition.
Trop peu de solutés dans l’environnement deviendra la solution hypertonique. Dans ce cas, c’est le contraire qui se produira, l’eau se déplaçant hors de la cellule. L’eau se déplace contre le gradient de concentration des solutés, allant des zones de faible concentration de solutés vers les zones de forte concentration de solutés. Dans un autre sens, l’eau se déplace avec le gradient de concentration de l’eau, des zones de forte concentration d’eau vers les zones de faible concentration d’eau.
Les organismes qui régulent l’osmolarité de leurs cellules sont appelés osmorégulateurs. Typiquement, les cellules essaient de maintenir leur cytoplasme comme une solution hypertonique par rapport à l’environnement. Bien que cela pose certains problèmes structurels, cela permet à l’eau de circuler librement dans la cellule et de participer à de nombreuses réactions nécessaires. Si les cellules étaient hypotoniques, elles finiraient par perdre la majeure partie de leur eau dans l’environnement. D’autres organismes, les osmoconformateurs, ont la même osmolarité que l’environnement, bien que les solutés exacts puissent être différents. Cela garantit qu’ils ne perdent ni ne gagnent beaucoup d’eau.