Cours 3 Biophysique

Cours 3 Biophysique

LES SOLUTIONS BIOLOGIQUES TRANSFERTS MEMBRANAIRES pascal. [email protected] aphp. r INTRODUCTION Solutions biologiques : définitions, notations dans les solutions biologique le solvant cest l’eau Solutions : solvant + GÉNÉRALITÉS or20 Sni* to View Solution = mélange dispersé en phase liquide de molécules, solvant: molécules les plus nombreuses au sein de la solution Soluté : molécules moins nombreuses « contenues » dans le solvant forces intermoléculaires interactions: – solvant- solvant, – solvant – soluté, – soluté – soluté, énergie de liaison non négligeables gaz), ?? solution idéale : forces intermoléculaires égales mais en fait seulement (et presque) vrai pour solution diluées . olvant (eau) mo = masse molaire de l’eau ! Xs = s n total et XH20 (fraction molaire soluté) n H20 (fraction molaire de l’eau) où n total : nombre total de moles (SOLVANT + SOLUTÉ) ! On en déduit : Cmll = Xs mo X H20 et comme XH O # 1 2 ! Concentration molale = Xs où : Xs = fraction molaire du SOLUTE, mo = masse molaire de l’eau Relation ccn molale vs. ccn molaire ! C. molale —C molaire OF Phosphates… Sulfates. Indéterminés (acides organiques)… 03 26 mEq/l 2 TIE-q/l 1 mEq/l 6 ‘TIE-q/l Total E- = 154

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mEq/l 6 mEq/l * Ce sont des valeurs que Hon peut obtenir en routine clinique sur une analyse sanguine « standard * les valeurs numériques sont données à titre indicatif et ne sont pas à retenir dans le cadre du cours de biophysique Résumé : comment définir la concentration d’une solution? CONCENTRATION MESURE UNITÉ SI UNITÉS COURANTES Masse lunit vol sol* et milieu extracellulaire, et ce, pour chaque compartiment cellulaire (mitochondrie, lysosome, réticulum endoplasmique, cytoplasme… . La séparation des compartiments définis par la membrane n’est pas totale, des ?changes moléculaires permettent à la cellule d’assurer son métabolisme. ! Les cellules disposent de systèmes de transport d’ions et de macromolécules faisant intervenir des protéines membranaires : transporteurs, pompes ou canaux. * Source : ‘Principes de Biochimie » Horton et al. (1994) Déplacements moléculaires passifs en solution ou au travers d’une membrane. ! Diffusion, • Convection /Filtration, • Migration. Rappels et conventions !

Le gradient de f est une fonction vectorielle dont les coordonnées dans le système cartésien Ox, Oy, et Oz sont égales respectivement à f ‘ f et Si la fonction n’est pas uniforme, le vecteur « gradient de f’ pointe vers l’endroit de l’espace où f est maximale. Plus une molécule (mlc) est volumineuse et plus le liquide est visqueux, moins elle se déplace facilement. • On définit ainsi pour un couple molécule/solution la mobilité mécanique moléculaire b’ (inverse du coeff de friction : f = 6Ttnr si la mlc est sphérique de rayon r où n=viscosité). ?? Comme on considère habituellement les choses à l’échelle molaire, on a, si les mlc se déplacent à la même vitesse v : coeff de friction molaire = N (nb D’où : b (mobilité mécanique molaire) = 1/Nf ?? La mobilité mécanique molaire augmente avec la température et diminue avec la taille de la molécule . Diffusion début équilibre Injection de soluté Compt A Compt 3 Compt B ! Les molécules sont agitées d’un mouvement aléatoire (brownien) incessant en rapport avec l’agitation thermi ue « effet shaker »), ! onction des interactions solvant/solvant, soluté/ PAGF s OF égalisation à l’équilibre de cette concentration en tout point de la solution, pour satisfaire à l’égalisation du potentiel chimique. Remarque: tout se passe comme si seul le soluté diffusait . ! d – – RTbS grad c Jd = débit molaire diffusif)* où : R Cte gaz parfaits, T température (en K), b mobilité mécanique du soluté, S surface utile d’échange, c concentration molale du soluté Ce qui peut s’écrire : Jd DS grad c (1 ère loi de Fick).

On appelle coefficient de diffusion D la constante: D = RTb (loi d’Einstein). on a donc : D = RT/N = 6,02. 1023), soit : D = kT/f k=cte de ,38. 10-23 J. K-I D s’exprime en (m2/s ou cm2/min *NB : La valeur absolue ou module de Jd Jd RTbS grad c ! d- – RTbS grad c  » Attention à l’homogénéité des unités exemple : Jd (moles. s-l ), oule. K-1. mole-l, b : PAGF OF Jd – ( RTbs/mo)S grad Xs où : R = Cte gaz parfa ts, T = température (en K), bs – mobilité mécanique du soluté, S = surface utile d’échange, mo = masse molaire de l’eau,Xs = fraction molaire du soluté !

Le solvant diffuse également (dans le sens du gradient)  » Jd = + (RTbH20 /mo) S gradXH20 où : R = Cte gaz parfaits, T = température (en K), bH20 = mobilité mécanique de l’eau, S — surface utile d’échange, mo = masse molaire de l’eau, XH20 = fraction molaire de l’eau Passage au travers d’une membrane : Hypothèses ! Membrane unidimensionnelle, ! Gradients unidirectionnels, perpendiculaires à la surface embranaire, ! Débit conservatif dans la membrane, pas d’accumulation dx=o, concentration à t donné compartiment I Mb Cl compartiment II Attention ! J/dt n’est pas nul, du moins tant que ‘équilibre n’est pas atteint (C C2). Il est maximal à t = 0. Il est la résultante de 2 flux: 1>2 et 2->1 PAGF 7 OF RTbs Spores u : R = Cte gaz parfaits, T température (en K), bs mobilité mécanique du soluté, S surface utile d’échange, c concentration molaire/molale soluté, e épaisseur de la membrane d’échange Remarques : ! Le débit de solvant n’est pas toujours négligeable, comme pour e phénomène de l’osmose (diffusion du solvant SANS diffusion du soluté) : Jd H20 = + DH20 S dcosrn/dx = RTbH20 S dcosrn/dx !

On peut introduire la notion de débit volumique diffusif (solvant eau, sol. biol. ) Qd H20 = + DH20 VH20 S dcosm/dx où VH20 volume molaire de Peau ! Ce qui indique que l’équilibre de diffusion de l’eau (Qd H20 = O) se traduit par l’égalité des osmolalités dans chaque compartiment. On définit la perméabilité membranaire diffusive P : D P en m. s-l (vitesse) La perméabilité dépend de la dlffuslbilité dans la membrane et de son épaisseur. Jd — Déplacements moléculair lution PAGF E OF travers une paroi ou une membrane ! En appliquant une pression P, on chasse le liquide selon la direction de la pression exercée !

Remarque: dans la convection / filtration, solvant et soluté présentent un mouvement parallèle ! Le débit convectif de solvant, appelé aussi déblt de filtration, s’écrit : JF — -bH20 S grad P (avec P en Pa), où : F débit convectif de solvant, bH20 mobilité mécanique du (eau), S surface utile d’échange, P pression exercée sur le système, grad P fonction gradient de pression, ! Le débit convectif de soluté JS est égal au produit du débit de iltration JF et de la concentration molaire du soluté C : Transfert convectif de solvant !

Filtration : différence de Pression de part et d’autre de la membrane de surface d’échange S, ! – bH20 S grad P – – bH20 S (dP/dx) b péritoine_mb dialysante) et phénomène d’osmose pour l’eau… Hémodialyse La DIFFUSION de solutés: La membrane comporte une multitude de trous de tailles différentes, de façon à ce que les petites comme les grasses molécules puissent la traverser, mais pas les cellules sanguines. Les minéraux en excès dans le sang vont passer dans le dialysat, réciproquement. L’ULTRAFILTRATION Cest ce phénomène qui va permettre de corriger l’excès de liquide dans le sang du malade.

On exerce une pression sur le compartiment sanguin, l’eau qu’elle contient en excès traverse la membrane et rejoint le dialysat (assure transfert convectif : eau+solutés). Déplacements moléculaires passifs en solution ou au travers d’une membrane. • Diffusion, • Convection ‘Filtration, ! Migration. Caractéristiques de la migration ! Existence d’une force appliquée sur la molécule de direction et de sens définis, ! due aux forces Coulombiennes, n’intéresse donc que les ions. ! L’énergie nécessaire au t extraite de l’énergie