Diffusion simple

Question 1

Donner la formule de la 1e loi de Fick et expliquer sa signification.

Answer 1

Ji = - Di. dCi/dx

Le gradient de concentration est la DF de la diffusion d’un soluté neutre.

Ji: flux du soluté neutre i par unité de surface en moles.min^-1.cm^-2

Di : coeff de diff du soluté i en cm²/min

dC/dxi : variation de concentration en moles/cm⁴

Le signe négatif indique que le transfert à lieu dans le sens de diminution de la concentration, ainsi Ji est positif.

Question 2

Définir le coefficient de diffusion Di par une formule (définir les termes et les unités)

Answer 2

Di est obtenu en reliant la loi de Fick et l’équation de Nernst-Planck

Ji = -Di. dCi/dx (Fick)

et Ji = - ui.R.T.dCi/dx (Nernst-Planck)

Di= R.T.ui qui est la relation d’Einstein.

• _{Di: coefficient de diffusion du soluté i (constante caractéristique de l’intéraction entre le soluté i et le solvant qui est le milieu considéré) en cm².min^-1}
• _{ui: mobilité du soluté i en cm².mole.J^-1.min^-1}
• _{R: constante desgazs parfaits = 8,31 J.K-1.mole-1}
• _{T: température en K}
• _{Ji: flux de soluté neutre i par unité de surface en moles.min^-1.cm^-2}

La relation de Einstein et Stokes relie la diffusion d’une molécule de façon inversement proportionnelle à son rayon et à la viscosité du milieu environnant.

Di= R.T.ui = R.T /fi

Di= R.T/ 6.π.η.ri.N_A

Di = k_B.T/6.π.η.ri

• _{Di: coefficient de diffusion du soluté i en cm².min^-1 ui: mobilité du soluté i en cm².mole.J^-1.min^-1}
• _{R: constante des gazs parfaits= 8,31 J.K^-1.mole^-1}
• _{T: température en K}
• _{η: viscosité du milieu en Poise}
• _{ri: rayon moléculaire de i en cm}
• _{NA: nombre d’Avogadro 6,022.10²³ entités élémentaires par mole}
• _{kB: constante de Boltzmann: R/NA= 1,38.10^-23 en J.K^-1}

Question 3

Quelle est la relation entre la distance de diffusion d’un soluté non chargé et le temps de parcours dans une dimension et quelles conclusions peut-on en déduire ?

Answer 3

La distance moyenne de diffusion d’une molécule (d) est fonction de la racine carrée du temps écoulé (√t)

Diffusion dans une dimension:

d=√2.Di.t

soit d²= 2.Di.t

t= d²/2.Di

• d: la distance parcourue au cours de la diffusion en cm
• t: le temps en sec ou min
• Di: le coefficient de diffusion du soluté i, en cm².sec^-1 ou cm².min^-1

Conclusions: le transport par diffusion est très lent pour aller loin mais peut être rapide pour des courtes distances.

Transport par diffusion efficace pour des distances courtes de l’ordre de 5-10 μm (taille d’une cellule) mais inefficace pour des distances > 1mm.

_{(Lorsque la progression dépend de la racine carrée du temps, le temps de parcours est considérablement augmenté lorsque la distance parcourue augmente: “diffuser un peu plus loin prend un temps beaucoup plus long” (ex: aller 10 x plus loin nécessite 100 fois plus de temps))}

Question 4

Quelle est la relation entre la distance de diffusion d’un soluté non chargé et le temps de parcours dans deux dimensions et quelles conclusions peut-on en déduire ?

Answer 4

La distance moyenne de diffusion d’une molécule (d) est fonction de la racine carrée du temps écoulé(√t)

Diffusion dans deux dimensions:

d= √4.Di.t

d²=4.Di.t

t= d2/4.Di

• d: la distance parcourue au cours de la diffusion en cm
• t: le temps en sec ou min
• Di: le coefficient de diffusion du soluté i, en cm².sec^-1 ou cm².min^-1

Conclusions :

le transport par diffusion est très lent pour aller loin mais peut être rapide pour des courtes distances.

Type de diffusion efficace pour des distances courtes de l’ordre de 5-10 μm (taille d’une cellule) mais inneficace pour des distances >1mm.

_{(Lorsque la progression dépend de la racine carrée du temps, le temps de parcours est considérablement augmenté lorsque la distance parcourue augmente: “diffuser un peu plus loin prend un temps beaucoup plus long” (ex: aller 10 x plus loin nécessite 100 fois plus de temps))}

Question 5

Quelle est la relation entre la distance de diffusion d’un soluté non chargé et le temps de parcours dans trois dimensions et quelles conclusions peut-on en déduire ?

Answer 5

La distance moyenne de diffusion d’une molécule (d) est fonction de la racine carrée du temps écoulé(√t) Diffusion dans trois dimensions=

d=√6.Di.t

soit d²=6.Di.t

t= d²/6.Di

• d: la distance parcourue au cours de la diffusion en cm
• t: le temps en sec ou min
• Di: le coefficient de diffusion du soluté i, en cm².sec^-1 ou cm².min^-1

Conclusions :

le transport par diffusion est très lent pour aller loin mais peut être rapide pour des courtes distances. Type de diffusion efficace pour des distances courtes de l’ordre de 5-10 μm (taille d’une cellule) mais inneficace pour des distances >1mm. (Lorsque la progression dépend de la racine carrée du temps, le temps de parcours est considérablement augmenté lorsque la distance parcourue augmente: “diffuser un peu plus loin prend un temps beaucoup plus long” (ex: aller 10 x plus loin nécessite 100 fois plus de temps))

Question 6

Expliquer ce que signifie le passage d’un soluté à travers une membrane par solubilité-diffusion.

Answer 6

Le passage d’un soluté selon son gradient de potentiel chimique _{(d’un compartiment 1 où il est plus concentré vers un compartiment 2 où il est – concentré)} à travers une membrane lipidique semblable à celle de la membrane plasmique dépend de la perméabilité de la membrane au soluté considéré et comporte 3 étapes :

a) le soluté doit pénétrer dans la membrane, c’est-à-dire se dissoudre dans la membrane
b) le soluté doit traverser la membrane. Dans le cas de diffusion simple, qui ne fait pas intervenir de protéines membranaires de transport, le soluté diffuse au sein de la membrane.
c) Le soluté doit ensuite quitter la membrane.

Question 7

Indiquer la formule qui décrit le flux d’un soluté à travers une membrane à larges pores.

Answer 7

La diffusion transmembranaire d’un soluté neutre a travers une membrane à larges pores, non selective (verre fritté) peut être déterminé par la première loi de Fick:

J1→2= Ci.(Di/Δx)

et J2→J1 = C2. (Di/Δx)

Jnet à travers la membrane = - (J2→J1 - J1→2)

= - Di/Δx (C2-C1)

soit Ji = - Di. ΔCi/Δx qui s’apparente à la première loi de Fick

• Ji: flux net de i, en mole.cm^-2.h^-1
• ΔCi= C2-C1 concentrations en i, de mole.cm^-2
• Di: coefficient de diffusion de i dans la membrane en cm².h^-1
• Δx: épaisseur de la membrane en cm

Question 8

Définir le coefficient de partage.

Answer 8

Le coefficient de partage (ou coefficient de partition ou encore coefficient de solubilité) est désigné Kp (ou β) et mesure la tendance d’une substance à se dissoudre dans un solvant donné par rapport à sa tendance à se dissoudre dans l’eau.

Kp= Ci huile/ Ci eau

=Cmb/Ceau

Kp est le rapport entre la concentration du soluté i dans l’huile sur sa concentration dans l’eau, sans unités.

Question 9

Que signifie un coefficient de partage supérieur à 1 ?

Answer 9

Kp est le rapport entre la concentration du soluté i dans l’huile sur sa concentration dans l’eau, sans unités.

Si le soluté i est lipophile, Kp>1 (i tend à rester dans l’huile)

Question 10

Que signifie un coefficient de partage inférieur à 1 ?

Answer 10

Kp est le rapport entre la concentration du soluté i dans l’huile sur sa concentration dans l’eau, sans unités.

Si le soluté i est hydrophile, Kp<1 (i tend à rester dans l’eau)

Pour β=0 le soluté n’est pas soluble dans la mb et Ji=0.

Question 11

Que signifie un coefficient de partage égal à 1 ?

Answer 11

Kp est le rapport entre la concentration du soluté i dans l’huile sur sa concentration dans l’eau, sans unités.

Pour soluté dont β=Κp=1, sa concentration dans la membrane est identique à sa concentration en phase aqueuse (le soluté se dissout aussi bien dans l’eau et dans la membrane).

Question 12

Expliquer en vous aidant d’un schéma pourquoi la diffusion simple à travers une membrane lipidique est plus lente pour les solutés hydrophiles.

Answer 12

soluté hydrophile dont le β< Cint-Cext

Ji est diminué

Ji= -Di. β (Cint-Cext)/ Δx

La diffusion simple est plus lente pour les solutés hydrophile.

Pour les substances fortement lipophiles, il suffit d’un gradient de concentration peu important pour assurer leur passage aisé à travers la membrane (ex: la majorité des anesthésiques locaux, les gaz respiratoires tels que l’O2 et le CO2).

Question 13

Expliquer en vous aidant d’un schéma pourquoi la diffusion simple à travers une membrane lipidique est plus rapide pour les solutés lipophiles.

Answer 13

soluté lipophile dont le β>1: sa concentration dans la membrane est supérieure à celle de la phase aqueuse augmentation du gradient de concentration entre les deux compartiments.

β (Cint - Cext)> Cint-Cext

Ji est augmenté J

i= -Di. β (Cint-Cext)/ Δx

La diffusion simple est plus rapide pour les solutés lipophiles

Question 14

Définir le coefficient de perméabilité d’un soluté à travers une membrane lipidique

Answer 14

La perméabilité de la membrane (bicouche lipidique) à un soluté dépend :

a) du coefficient de partage Kp, c’est-à-dire de la solubilité relative du soluté dans la membrane (par rapport à sa solubilité dans la phase aqueuse)
b) du coefficient de diffusion Di, à travers la membrane, c’est-à-dire de la résistance de la membrane au mouvement du soluté.
c) De l’épaisseur x de la membrane.

Question 15

Indiquer la relation qui lie le coefficient de perméabilité d’un soluté neutre i et le temps nécessaire à la dissipation, par diffusion, d’un gradient de concentration de ce soluté i de part et d’autre d’un mb

Answer 15

Le coefficient de perméabilité, en cm.sec^-1, permet de prévoir la vitesse avec laquelle un soluté traverse une membrane donnée.

Le temps nécessaire à la dissipation, par diffusion d’un gradient de concentration d’un soluté i de part et d’autres d’une membrane peut être prévu par la relation suivante qui tient compte de Pi

ΔC(t) = ΔC (t0) . e ^-t/T

T est la constante de temps qui correspond au temps nécessaire pour que la différence de concentration du soluté chute de 1/e, soit à 37% de sa valeur initiale.

T=1/k avec k = Pi .(Surface/Volume)

• _{k: rate constant en sec^-1}
• _{Pi= coefficient de perméabilité de la mb pour le soluté i en (cm.sec^-1)}
• _{Surface en cm²}
• _{Volume en cm³}

Question 16

Citer et expliquer brièvement les regles d’Overton

Answer 16

Solubilité-diffusion appliquée à la membrane cellulaire :

Le Modèle de la solubilité-diffusion s’applique à la membrane cellulaire pour les solutés neutres, selon les règles d’Overton.

1) la perméabilité de la mb cellulaire (bicouche lipidique) aux solutés neutre est corrélée a leur coeff de partage c’est-à-dire à leur tendance à se dissoudre dans le milieu

• la diffusion simple est plus rapide pour les solutés lipophiles.
• la diffusion simple est plus lente pour les solutés hydrophiles.

2) à coefficient de partage identique, la perméabilité est inversement proportionnelle à la taille des molécules _{<em>c’est-à-dire pour une petite molécule, la perméabilité est supérieure que pour une plus grande molécule.</em>}

• à Kp égal, la diffusion simple est d’autant plus rapide que les solutés sont petits
• à Kp égal, la diffusion simple est d’autant plus lente que les solutés sont gros.

Question 17

Indiquer les limites du modèle solubilité-diffusion (S-D) et expliquer brièvement votre réponse

Answer 17

Le modèle S-D ne peut expliquer le passage membranaire des solutés hydrosolubles (larges molécules polaires sans charge nette, ions, molécules organiques polaires et chargées).

Les petites molécules polaires et non chargées comme l’éthanol et l’urée peuvent traverser la membrane mais nettement moins facilement que les substances neutres et lipophiles comme le CO2 et l’O2.

-Au niveau d’une membrane artificielle lipidique, la perméabilité des ions est extrêmement faible. → dissipation des gradients ioniques en nombreuses années, → nécessité de protéines de transport au niveau de la membrane cellulaire pour augmenter la perméabilité ionique.

En résumé:

1) les petites molécules hydrosolubles (et en particulier l’eau) passent + rapidement la membrane que ne prédit le modèle (c’est-à-dire que leur liposolubilité ne le laisserait supposer)
2) cette perméabilité accrue est assurée par des protéines membranaires de transport. ( Les canaux ioniques qui assurent le passage transmbR des ions selon leur grad électro-chimique).

Question 18

Décrire la cinétique de la Diffusion simple en expliquant votre réponse par une figure

Answer 18

• transport non saturable
• indépendance de la perméabilité vis-à-vis de la C en soluté : la pente de la droite est la perméabilité Pi qui est une constante pour le soluté i.
• Lorsque C1> C2, ΔC est positive
• Lorsque C2 est nettement inf à C1, on peut considérer que ΔC=C1

Question 19

Expliquer la diffusion non ionique et son intérêt clinique.

Answer 19

La diffusion non ionique permet l’absorption d’acides ou de bases faibles lorsque leur forme neutre est favorisé, c’est à dire:

• pour un acide faible (af), quand le pH <pka>
  </pka><li>pour une base faible (bf), le pH &gt; pKa</li>

</pka>

C’est la Diffusion piégée: Après diffusion, lorsque l’af se trouve dans un compartiment où le pH devient sup à son pKa ou lorsque la bf se trouve dans un compartiment où le pH devient inférieur à son pKa, la forme ionisée est privilégiée et elle ne peut plus traverser la membrane.

Intérêt pharmacologique : la diffusion non ionique intervient lors de traitements médicamenteux :

• pour moduler l’absorption d’une drogue (af) : ex : l’aspirine est un af (pKa=±3.5) :
  
  • _{lorsque le pH de la lumière digestive est inférieur à 3,5, la forme neutre (acide acétylsalicylique) est 
prépondérante et l’absorption favorisée.}
  • _{lorsque le pH du tube digestif devient supérieur au pKa, la forme ionisée (acétylsalicylate- ) est favorisée et son absorption est diminuée.}
• pour favoriser l’élimination de composé toxique:
  
  • _{ex du lactulose et de l’encéphalopatie hépatique (rétention du NH3 au niveau colique, elimination par acidification).}

Question 20

V/F en abscence de protéines membranaires, la membrane cellulaire est imperméable aux solutés hydrophiles

Answer 20

VRAI

Rq: l’eau passe très difficileent à travers les lipides membranaires.

Question 21

V/F le modèle Solubilité-Diffusion explique le passage membranaire des solutés hydrosolubles

Answer 21

FAUX

le modèle Solubilité-Diffusion NE PEUT PAS expliquer le passage membranaire des solutés hydrosolubles

Question 22

V/F Les petites molécules polaires et non chargées comme l’éthanol ne peuvent pas traverser la membrane

Answer 22

FAUX

Les petites molécules polaires et non chargées comme l’éthanol (et l’urée dans une moindre mesure) peuvent traverser la membrane mais nettement moins facilement que les substances lipophiles comme le CO_{2 (polaire)} et l’O_{2 (non polaire - N2)}

_{Rq: lesmolécules non chargées, polaires et d’une certaine taille (glc), les ions inorganiques (Na+, K+..) et lesmolécules polaires chargées (AA, ATP…) ne travrsent pas les lipidesmembranaires.}