Les échanges membranaires

Cadre programme : référentiel infirmier 2026 (arrêté du 20 février 2026), UE B.1 « Sciences biomédicales », socle « Fonctionnement du corps humain » (biologie cellulaire et moléculaire). Correspond à l'ex-UE 2.1 « Biologie fondamentale » (référentiel 2009, S1).

Pourquoi c'est central pour l'IDE : maîtriser les mécanismes d'échanges membranaires et la notion de tonicité est indispensable pour comprendre les effets des solutés de perfusion, les risques d'hémolyse ou d'oedème cellulaire, et le mécanisme d'action des médicaments agissant sur les canaux et transporteurs.

1. Transport passif

Le transport passif est le déplacement spontané de molécules selon leur gradient (du milieu le plus concentré vers le moins concentré). Aucune consommation d'énergie n'est nécessaire.

La membrane ne laisse pas passer toutes les molécules de la même façon (voir la fiche « La membrane plasmique »). Transport passif : sans ATP, dans le sens du gradient. Transport actif : consomme de l'ATP, peut aller contre le gradient.

1.1 Diffusion simple

Passage direct de petites molécules non polaires ou de gaz à travers la bicouche lipidique, sans protéine.

Exemples :

• O2 : diffuse des alvéoles vers le sang, puis du sang vers les cellules.
• CO2 : diffuse des cellules vers le sang, puis vers les alvéoles.
• Hormones stéroïdes (cortisol, aldostérone) : liposolubles, traversent directement la membrane.

Mnémo : diffusion SIMPLE = Sans protéine, Seuls les gaz et lipides le font.

1.2 Diffusion facilitée

Transport de molécules polaires grâce à des protéines de transport (canaux ou transporteurs), toujours dans le sens du gradient, sans consommation d'énergie.

Canaux ioniques :

• Pore protéique sélectif pour un type d'ion (Na+, K+, Ca2+, Cl-).
• Peuvent être permanents ou à ouverture contrôlée (voltage-dépendants, ligand-dépendants).
• Exemple : canal CFTR (chlore dans l'épithélium respiratoire), canaux Na+ de l'axone.

Transporteurs (perméases) :

• Reconnaissent spécifiquement leur substrat, changent de conformation pour le faire passer.
• Exemple : GLUT (Glucose Transporter) pour le glucose. GLUT4 dans le muscle et le tissu adipeux est insulino-dépendant.

Lien clinique : l'insuline augmente le nombre de transporteurs GLUT4 à la surface des cellules musculaires et adipeuses. Dans le diabète de type 2, la résistance à l'insuline réduit la translocation de GLUT4, diminuant l'entrée du glucose et expliquant l'hyperglycémie.

1.3 Osmose

L'osmose est le déplacement de l'eau à travers une membrane semi-perméable, du milieu le moins concentré en solutés (hypotonique) vers le milieu le plus concentré (hypertonique), jusqu'à l'équilibre.

L'eau passe par la bicouche (lentement) et surtout par les aquaporines (protéines canal spécialisées).

L'osmolalité du plasma humain est d'environ 285 à 295 milliosmoles par kilogramme d'eau (valeurs à vérifier selon les recommandations en vigueur).

Mnémo : OSMOSE = Ou Se déplace l'eau ? Du milieu le moins concentré vers le plus concentré.

2. Transport actif

Le transport actif déplace des molécules ou ions contre leur gradient de concentration : il nécessite de l'énergie (hydrolyse de l'ATP).

2.1 Transport actif primaire : la pompe Na+/K+ ATPase

C'est la pompe la plus importante et la plus abondante dans les cellules animales.

Fonctionnement par cycle :

1. Fixe 3 ions Na+ côté intracellulaire, hydrolyse 1 ATP.
2. Expulse les 3 Na+ à l'extérieur.
3. Fixe 2 ions K+ côté extracellulaire.
4. Fait entrer les 2 K+ dans la cellule.

Bilan par cycle : sortie de 3 Na+, entrée de 2 K+.

Ces gradients sont indispensables au potentiel de repos des cellules excitables (neurones, cellules musculaires).

Lien clinique : la digoxine inhibe la pompe Na+/K+ ATPase dans les cardiomyocytes. L'accumulation de Na+ intracellulaire provoque indirectement une augmentation du Ca2+ intracellulaire, augmentant la force de contraction (effet inotrope positif). En cas de surdosage, des troubles du rythme graves peuvent survenir. Une hypokaliémie potentialise la toxicité de la digoxine : surveiller la kaliémie est indispensable.

Autres pompes actives importantes :

• H+/K+ ATPase (pompe à protons) : dans les cellules gastriques, cible des inhibiteurs de la pompe à protons (IPP : oméprazole, pantoprazole) dans le traitement des ulcères et du RGO.

2.2 Transport actif secondaire (cotransport)

Utilise indirectement l'ATP : exploite le gradient de Na+ créé par la pompe Na+/K+ ATPase pour transporter une autre molécule. Exemple : SGLT (symport Na+/glucose) dans le tubule rénal.

Lien clinique : les gliflozines (inhibiteurs de SGLT2 : dapagliflozine, empagliflozine) bloquent SGLT2 du tubule rénal : le glucose non réabsorbé est éliminé dans les urines (glycosurie), abaissant la glycémie. Effets protecteurs cardiovasculaires et rénaux associés.

3. Endocytose et exocytose

Pour les macromolécules trop grosses pour traverser la membrane par les transporteurs, la cellule utilise des mécanismes impliquant le remaniement de la membrane elle-même.

3.1 Endocytose : entrée dans la cellule

Phagocytose : ingestion de grosses particules (bactéries, débris) par les macrophages et neutrophiles. La particule est enfermée dans un phagosome qui fusionne avec un lysosome. Rôle majeur dans l'immunité innée.

Lien clinique : Mycobacterium tuberculosis bloque la fusion phagosome-lysosome, expliquant la persistance de la tuberculose et la nécessité de traitements prolongés.

Pinocytose : internalisation de petites gouttelettes de liquide extracellulaire. Variante : endocytose médiée par récepteur (captation du LDL-cholestérol par les hépatocytes).

3.2 Exocytose : sortie de la cellule

Fusion d'une vésicule avec la membrane plasmique, libérant son contenu à l'extérieur. Mécanisme universel de sécrétion des hormones peptidiques (insuline), des neurotransmetteurs et des anticorps.

Lien clinique : la toxine botulinique clive des protéines SNARE indispensables à l'exocytose des neurotransmetteurs : blocage de la libération d'acétylcholine (paralysie flasque).

4. Tonicité et conséquences sur les cellules

La tonicité d'une solution désigne sa concentration en solutés non perméants relativement à la concentration intracellulaire. Elle détermine la direction des mouvements d'eau par osmose.

Solution isotonique

Même osmolalité que le contenu cellulaire (environ 285 à 295 mOsm/kg). Aucun mouvement net d'eau. Volume cellulaire stable.

NaCl 0,9 % (sérum physiologique) est le soluté isotonique de référence : 9 g de NaCl dans 1 litre d'eau correspondent à une osmolalité d'environ 308 mOsm/L (légèrement supérieure à l'osmolalité plasmatique, mais considéré comme isotonique en pratique clinique).

Solution hypotonique

Osmolalité inférieure à celle du contenu cellulaire. L'eau entre dans la cellule. La cellule gonfle et peut éclater.

Dans les globules rouges : gonflement et hémolyse (destruction du globule rouge, libération d'hémoglobine dans le plasma).

Solution hypertonique

Osmolalité supérieure à celle du contenu cellulaire. L'eau sort de la cellule. La cellule rétrécit : crénelage des globules rouges.

Tableau récapitulatif

Lien clinique : pourquoi le NaCl 0,9 % est utilisé en perfusion intraveineuse ? Parce qu'il est isotonique : il n'entraîne pas de mouvement net d'eau dans les cellules sanguines et n'endommage pas les globules rouges. Perfuser de l'eau pure provoquerait une hémolyse massive potentiellement mortelle. Toute administration de soluté de perfusion relève de la prescription médicale et doit respecter les protocoles institutionnels.

Mnémo : ISO = identique (rien ne bouge) ; HYPO = eau entre (cellule gonfle) ; HYPER = eau sort (cellule se ratine).

Vocabulaire essentiel

• Transport passif : sans consommation d'énergie, dans le sens du gradient.
• Transport actif : contre le gradient, nécessite de l'ATP.
• Diffusion simple : passage direct de petites molécules non polaires à travers la bicouche (pas de protéine).
• Diffusion facilitée : transport passif assisté par une protéine (canal ou transporteur).
• Canal ionique : pore protéique sélectif pour un ion.
• Transporteur (perméase) : protéine changeant de conformation pour faire passer une molécule.
• Osmose : diffusion de l'eau du milieu hypotonique vers le milieu hypertonique.
• Aquaporine : protéine canal permettant le passage rapide de l'eau.
• Pompe Na+/K+ ATPase : expulse 3 Na+ et fait entrer 2 K+ par cycle, en hydrolysant 1 ATP.
• Tonicité : concentration en solutés non perméants, déterminant la direction des mouvements d'eau.
• Isotonique : même osmolalité que la cellule (NaCl 0,9 %).
• Hypotonique : osmolalité inférieure à la cellule, l'eau entre (risque d'hémolyse).
• Hypertonique : osmolalité supérieure à la cellule, l'eau sort (crénelage).
• Hémolyse : destruction des globules rouges par éclatement en milieu hypotonique.
• Endocytose : internalisation de matériaux par invagination de la membrane.
• Exocytose : sécrétion de molécules par fusion de vésicules avec la membrane.
• SGLT : cotransporteur sodium-glucose (cible des gliflozines dans le diabète de type 2).

Points clés à retenir

1. Transport passif (diffusion simple, facilitée, osmose) : sans énergie, dans le sens du gradient.
2. Transport actif (pompe Na+/K+ ATPase) : contre le gradient, consomme de l'ATP. La pompe expulse 3 Na+ et fait entrer 2 K+ par cycle. Inhibée par la digoxine (effet inotrope positif).
3. Osmose : uniquement l'eau, du milieu hypotonique vers le milieu hypertonique. La tonicité détermine si une cellule gonfle (hypo), reste stable (iso) ou rétrécit (hyper).
4. NaCl 0,9 % est isotonique : ne provoque pas de mouvement d'eau dans les cellules sanguines (utilisation en perfusion).
5. Phagocytose : mécanisme clé de l'immunité innée (macrophages, neutrophiles). Exocytose : mode de sécrétion universel des hormones peptidiques et neurotransmetteurs.

Pièges fréquents

1. Confondre diffusion et osmose : la diffusion concerne les solutés (O2, ions, glucose) ; l'osmose concerne uniquement l'eau.
2. Inverser le sens de l'osmose : l'eau va du milieu hypotonique vers le milieu hypertonique. Un globule rouge dans de l'eau pure gonfle et hémolyse.
3. Confondre phagocytose et pinocytose : phago = grosses particules (bactéries) ; pino = liquide et petites molécules. Les deux sont des formes d'endocytose.
4. Oublier que la digoxine inhibe la pompe Na+/K+ ATPase : mécanisme à connaître pour comprendre ses effets inotropes et sa toxicité en cas d'hypokaliémie.
5. Croire que le transport actif secondaire va toujours contre le gradient : il transporte dans le sens du gradient pour une molécule en utilisant l'énergie du gradient de Na+ (Na+ entrant tire le glucose avec lui).

Q&R pour le tuteur IA

Q : Pourquoi ne peut-on pas perfuser de l'eau pure en intraveineuse ? R : L'eau pure est hypotonique (osmolalité de 0 mOsm/L) par rapport aux cellules sanguines (environ 285 à 295 mOsm/kg). Par osmose, l'eau entrerait massivement dans les globules rouges, qui gonfleraient jusqu'à éclater : c'est l'hémolyse. La libération brutale d'hémoglobine peut provoquer une insuffisance rénale aiguë et un choc. C'est pourquoi les solutés de perfusion doivent être isotoniques. Toute perfusion relève de la prescription médicale.

Q : Quel est le mécanisme d'action des gliflozines dans le diabète de type 2 ? R : Les SGLT2 sont des cotransporteurs situés dans le tubule proximal rénal qui récupèrent normalement la quasi-totalité du glucose filtré. Les gliflozines bloquent ce transporteur : le glucose est alors éliminé dans les urines (glycosurie), abaissant la glycémie sans stimuler la sécrétion d'insuline. Ces médicaments ont aussi des effets protecteurs cardiovasculaires et rénaux.