Gradient de concentration

Définition

En chimie, le gradient de concentration est le changement progressif de la concentration de solutés dans une solution en fonction de la distance à travers la solution. Le gradient indique la variation de la valeur de concentration d'une substance donnée pour 2 unités d'espace.

⭐ La diffusion des substances intervient en raison d'un gradient de concentration. Le gradient électrochimique est le gradient de concentration des ions dissous, qui est d'une importance exceptionnelle pour les systèmes biologiques, en particulier le métabolisme énergétique cellulaire et la conduction nerveuse.

Schéma du gradient de concentration :

Diagramme schématique du gradient de concentration (gradC) entre deux concentrations, C1 et C2. Les particules peuvent se déplacer le long ou contre leur gradient de concentration.

Au sens le plus étroit, le gradient de concentration signifie un changement continu de concentration osmotique. Il est alors la mesure du changement spatial de la concentration d'une substance chimique. C'est le quotient (plus précisément, le quotient différentiel) de la différence de concentration et de la distance entre deux points dans cet espace.

Explications, généralités

Une solution a essentiellement deux composants principaux, le solvant (le composant dissolvant, par exemple l'eau) et le soluté (les particules qui peuvent être dissoutes par le solvant). En biochimie, la concentration se rapporte à la quantité d'un sous-composant d'une solution, par exemple la quantité de solutés dans une solution.

Le gradient, à son tour, est un terme qui désigne en général l'augmentation ou la diminution progressive d'une variable par rapport à la distance. À cet égard, un gradient de concentration serait le résultat lorsque les quantités de solutés entre deux solutions sont différentes.

En biologie, un gradient de concentration résulte de la répartition inégale des particules, par exemple des ions, entre deux solutions, à savoir le fluide intracellulaire (la solution à l'intérieur de la cellule) et extracellulaire (le fluide extracellulaire : la solution à l'extérieur de la cellule). Ce déséquilibre des solutés entre les deux solutions pousse les solutés à passer d'une zone très dense à une zone moins dense. Ce mouvement est une tentative d'établir un équilibre (homéostasie du métabolisme) et d'éliminer le déséquilibre des concentrations de soluté entre les deux solutions.

Voir aussi le coefficient osmotique.

Transport biologique

Dans les systèmes biologiques, il existe deux phénomènes majeurs de transport : le transport passif et le transport actif.

Dans le transport passif, des particules (par exemple des ions ou des molécules) sont transportées le long du gradient de concentration. Cela signifie que les particules se déplacent des zones de fortes concentrations vers les zones de faibles concentrations. En raison du mouvement passif des particules, aucune énergie chimique n'est dépensée lorsqu'elle existe. Des exemples de transport passif sont la diffusion simple, la diffusion facilitée, la filtration et l'osmose.

Inversement, le transport actif est le transport de particules contre le gradient de concentration. Cela signifie que les particules sont déplacées vers une zone de faible concentration vers une zone de concentration élevée. De ce fait, l'énergie chimique est dépensée pour déplacer les particules vers une zone déjà saturée ou dense avec des particules similaires.

Gradient de concentration et diffusion

La diffusion simple est un type de transport passif qui ne nécessite pas l'aide de protéines de transport. Étant donné que le mouvement est en descente, c'est-à-dire d'une zone de concentration plus élevée à une zone de concentration plus faible, un gradient de concentration est suffisant pour conduire le processus. Un mouvement net neutre de particules sera atteint lorsque le gradient de concentration aura disparu. Cela signifie que l'équilibre entre les deux zones est atteint. La quantité de particules ou de solutés dans une zone est similaire à celle de l'autre zone.

En diffusion facilitée, le processus a besoin d'une protéine de transport. Semblable à une simple diffusion, elle est entraînée par un gradient de concentration et l'équilibre est atteint lorsqu'il n'y a plus de mouvement net de molécules entre les deux zones.

Dans de nombreux cas, cependant, le gradient de concentration n'est pas un facteur suffisant dans le transport passif. Par exemple, la présence de deux solutions différentes sur la surface externe de la cellule aurait deux degrés différents de saturation et de solubilité. Par exemple, les petites molécules lipophiles et les molécules de gaz non polaires pourraient diffuser plus facilement à travers la bicouche lipidique de la membrane cellulaire que les molécules polaires, y compris l'eau.

Gradient de concentration et osmose

L'eau est l'une des molécules qui nécessitent une protéine de transport pour descendre le gradient de concentration à travers une membrane biologique. L'osmose est similaire à la diffusion car les deux se caractérisent par un mouvement de descente. La différence réside cependant dans la particule qui se déplace.

En diffusion, il s'agit du mouvement des solutés. En osmose, il s'agit du mouvement du solvant, c'est-à-dire des molécules d'eau. Dans l'osmose, les molécules d'eau se déplacent vers une zone de concentration élevée vers une zone de faible concentration. La pression qui pousse les molécules d'eau à se déplacer de cette manière est appelée gradient osmotique (pression osmotique).

Mais pour se déplacer à travers la membrane cellulaire, il doit utiliser une protéine de canal dans la membrane cellulaire. Cette protéine de transport s'étend sur toute la membrane et fournit un canal hydrophile à travers lequel la molécule d'eau pourrait passer. L'eau est une molécule polaire. Ainsi, il ne peut pas facilement passer à travers le composant bicouche lipidique hydrophobe de la membrane cellulaire. Il aura donc besoin d'une protéine de transport pour se déplacer. Néanmoins, le mouvement étant en descente, aucune énergie chimique n'est requise.

Au cours du transport actif

En transport actif, les particules sont transportées dans un mouvement ascendant. Cela signifie qu'ils se déplacent contre leur gradient de concentration, c'est-à-dire d'une zone de concentration plus faible à une zone de concentration plus élevée. Parce que le mouvement est en montée, ce processus nécessite de l'énergie chimique. Le transport actif peut être primaire ou secondaire.

Un transport actif primaire est celui qui utilise l'énergie chimique (par exemple ATP) tandis qu'un transport actif secondaire utilise un gradient électrique (c'est-à-dire un gradient résultant de la différence de charge à travers une membrane) et un gradient chimique (c'est-à-dire un gradient formé à partir des concentrations inégales de solutés). Un gradient électrochimique est un gradient de potentiel électrochimique pour un ion qui peut se diffuser dans notre sortie de la cellule via la membrane cellulaire. Puisque les ions portent une charge électrique, leur mouvement vers et hors de la cellule affecte le potentiel électrique à travers la membrane. Si un gradient de charge intervient (c'est-à-dire un gradient formé à partir d'une distribution inégale des charges électriques), cela incite les ions à diffuser en descente par rapport aux charges jusqu'à ce que l'équilibre des deux côtés de la membrane soit atteint.

Exemples

Quelques exemples de gradients de concentration :

• Gradients ioniques : les gradients ioniques, tels que les gradients sodium / potassium, sont un exemple de gradient de concentration essentiel aux cellules. Les neurones, par exemple, ont une pompe à sodium / potassium qu'ils utilisent pour maintenir un potentiel de membrane au repos (généralement de -60 à -90mV). Les deux principaux acteurs clés sont les ions sodium (Na⁺) et potassium (K⁺). Tout d'abord, 3 ions Na⁺ à l'intérieur de la cellule se lient à la protéine de la pompe. Deuxièmement, l'ATP phosphoryle la pompe, ce qui lui fait changer de conformation, libérant ainsi les 3 ions Na⁺ à l'extérieur de la cellule. Enfin, un ion K⁺ de l'extérieur se lie à la protéine de la pompe et est ensuite libéré dans la cellule. Le phosphate d'ATP est également libéré, ce qui fait que la protéine de pompe retrouve sa conformation d'origine. Grâce à ce mécanisme, la cellule est capable de maintenir son intérieur plus négatif que l'extérieur. Les neurones en ont besoin pour la formation d'un potentiel d'action.
• Gradients de protons : Le gradient de protons (également appelé gradient H⁺) est un gradient qui se forme à partir des différences de concentration de protons entre l'intérieur et l'extérieur d'une membrane biologique. Une pompe à protons est la protéine membranaire qui transporte les protons (H⁺) à travers une membrane et donc responsable de la construction d'un gradient de protons. Ce gradient est essentiel pour de nombreux organismes car il stocke de l'énergie. Par exemple, c'est le mécanisme utilisé dans la phosphorylation oxydative de la respiration cellulaire. La pompe à protons transporte les protons de la matrice mitochondriale vers l'espace inter-membranaire. En conséquence, il y a plus de protons à l'extérieur de la matrice qu'à l'intérieur. Cela conduit à un gradient de concentration de protons à travers la membrane interne des mitochondries.
• Gradient de concentration des gaz respiratoires : chez les animaux, les gaz respiratoires tels que l'oxygène et le dioxyde de carbone forment un gradient de concentration lorsque ces gaz diffèrent en concentrations entre le sang et le liquide tissulaire. Ces gaz descendent à travers les lits capillaires.

En rapport avec "gradient de concentration"

• concentration

  

  La concentration (géographique) est le regroupement de nombreux éléments au centre d'un même lieu.

• concentration molaire

  

  La concentration molaire (M ou c) d'une espèce chimique, ou molarité, est la quantité de moles d'un soluté par litre de solution.

• gradient

  

  Un gradient est une variation, progressivement décroissante à partir d'un point maximal, de la concentration d'une substance ou d'une propriété physiologique...

• gradient électrochimique

  

  Un gradient électrochimique est un gradient de potentiel électrochimique, généralement pour un ion qui peut se déplacer à travers une membrane et qualifie...