Osmorégulation

Définition

Une osmorégulation est une action de régulation de la pression osmotique cellulaire, regroupant ainsi l'ensemble des processus homéostatiques qui maintiennent les osmolarités de l'organisme à son niveau normal. L'osmorégulation en biologie se réfère à la régulation de la pression osmotique des fluides corporels d'un organisme.

L'osmorégulation est le moyen actif de réguler la pression osmotique de l'environnement interne en maintenant les fluides osmotiques du corps. Elle est le maintien d'une pression osmotique de chaque côté d'une membrane semi-perméable, c'est-à-dire un d'un équilibre osmotique.

Une osmorégulation isotonique pour les globules rouges :

Le phénomène d'osmorégulation favorise un milieu isotonique, mais peut être hypotonique ou hypertonique. Le maintien de l'isotonie (isotonicité) est très important pour les globules rouges.

Explications

L'osmorégulation est réalisée par divers organes : branchies, poumons, reins, néphridies, glandes à sels. Ce mécanisme physiologique permet à un organisme de s'adapter au passage d'un système eau douce à un système eau salée; c'est-à-dire d'adaptation à la pression osmotique du milieu qui l'environne.

⭐ Chaque organisme doit éviter que la concentration de solutés dans ses cellules ne devienne trop élevée ou trop faible. L'osmorégulation assure une teneur en eau tolérable, chez de nombreux animaux au-delà d'un état approximativement constant dans le corps (homéostasie).

Autrement exprimé, l'osmorégulation est la maintenance des fluides internes du corps à une pression osmotique différente (généralement plus haute) que de celle de l'environnement externe aqueux. C'est donc un processus par lequel un organisme maintient une concentration stable d'électrolytes.

⭐ L'osmorégulation d'un aquarium, de la concentration en sels dans l'eau d'aquarium, est réalisée à l'aide d'un dispositif appelé un osmolateur.

✅ L'osmorégulation est mesurée par l'osmorégularité.

Les réactions métaboliques dont dépend la vie opèrent dans un environnement liquide et exigent pour son fonctionnement que les concentrations relatives d'eau et de solutés restent dans des limites assez étroites.

L'osmorégulation ou régulation osmotique est, par conséquent, le maintien de l'homéostasie du corps en ce qui concerne les concentrations de solutés et la teneur en eau. Cette osmorégulation dépend, dans une large mesure, du mouvement contrôlé des solutés entre les fluides internes et l'environnement externe.

Le processus régule également le mouvement de l'eau qui suit les solutés par osmose. L'osmose intervient toujours lorsque deux solutions séparées par une membrane semi-perméable diffèrent par la concentration totale en soluté ou l'osmolarité.

Il y a un mouvement net de l'eau de la solution hypo-osmotique à l'hyperosmotique jusqu'à ce que les concentrations de soluté soient égales des deux côtés de la membrane. L'unité de mesure de l'osmolarité est fréquemment les milli-osmoles par litre (mOsm).

Le contrôle des relations hydriques dans les cellules végétales diffère du contrôle des cellules animales. Dans les cellules animales et végétales, la diffusion et l'osmose sont les facteurs sous-jacents impliqués dans le contrôle de l'eau; cependant, une attention supplémentaire doit être accordée à d'autres facteurs tels que la pression osmotique, le potentiel osmotique et le potentiel hydrique.

Dans les cellules animales, le potentiel osmotique est égal au potentiel hydrique. En revanche, dans les cellules végétales à parois cellulaires, le potentiel hydrique est égal au potentiel osmotique plus la pression de turgescence.

Chez la plupart des animaux, les fluides qui baignent les cellules sont isosmotiques avec les fluides à l'intérieur des cellules, c'est-à-dire que les fluides à l'intérieur et à l'extérieur des cellules ont approximativement la même pression osmotique.

La concentration totale à l'intérieur et à l'extérieur des cellules devrait être similaire ou la cellule gonflerait par cytolyse dans une solution hypotonique ou diminuerait dans une solution hypertonique. Pour maintenir les fluides isosmotiques de chaque côté de la membrane plasmique, les cellules animales utilisent constamment l'énergie pour pomper le Na⁺ de l'intérieur vers l'extérieur de la cellule par transport actif.

Pour les cellules animales, une solution isosmotique est, en général, optimale, alors que pour les cellules végétales, une solution isosmotique produit une perte de turgescence. La paroi cellulaire permet aux plantes d'accumuler des solutés dans leur protoplaste à des concentrations plus élevées que celles présentes dans l'environnement externe (apoplaste).

Dans ces conditions, l'eau a tendance à entrer dans la cellule par osmose, provoquant une augmentation du volume et de la pression de turgescence due à l'élasticité de la membrane plasmique.

L'augmentation de volume est limitée par la paroi cellulaire qui, en raison de sa résistance mécanique, exerce une pression sur le protoplaste qui équilibre les potentiels hydriques entre la cellule et l'environnement externe.

Voir aussi les osmoconformités, la thermorégulation.

Principes simplifiés

Si deux solutions sont séparées par une membrane semi - perméable et ont des potentiels hydriques différents, l'eau se déplace par osmose du potentiel hydrique supérieur au potentiel hydrique inférieur (le potentiel le plus élevé est l'eau pure).

Plus les particules dissoutes dans la solution sont élevées, plus la valeur osmotique est élevée.

Dans tous les environnements, que ce soit dans l'eau (aquatique) ou sur terre (terrestre), les organismes doivent maintenir la concentration de solutés et la teneur en eau des fluides corporels dans une gamme appropriée pour eux.

Cela nécessite l'excrétion de métabolites en excès et de sels qui seraient toxiques à une concentration trop élevée. Tous les processus et mécanismes dans ce contexte font partie de l'osmorégulation.

Conformateurs et régulateurs osmotiques

L'osmorégulation distingue deux types principaux d'organismes : les osmoconformateurs et les osmorégulateurs.

Les osmoconformateurs (ou conformateurs osmotiques) adaptent l'osmolarité de leurs tissus corporels à leur environnement, ils sont poïkilosmotiques. Cela peut intervenir soit passivement (sans dépense énergétique supplémentaire), soit activement (sous consommation d'énergie). La plupart des invertébrés marins sont des conformères.

De plus, les gazelles et les gilles (requins et raies) sont des conformères, mais leur composition électrolytique diffère de celle de l'eau de mer. En particulier, en raison de l'effet Donnan, qui existe en présence de substances non perméables (telles que les protéines) à l'intérieur de l'organisme, les conformères passifs sont toujours hyperosmotiques faibles au milieu externe.

Les osmorégulateurs (ou régulateurs osmotiques) sont plus répandus dans le règne animal. Ils maintiennent l'osmolarité de l'organisme dans des limites étroites et presque constantes et régulent la salinité de leurs fluides corporels, indépendamment de la salinité de l'environnement. De tels organismes sont appelés homoiosmotiques.

• Les poissons d'eau douce sont des régulateurs hyperosmotiques. Ils ont une valeur osmotique plus élevée à l'intérieur du corps que leur environnement, et absorbent donc activement les électrolytes avec les branchies de l'eau environnante. L'eau en excès qui a été absorbée est excrétée par l'urine, qui est donc très diluée.
• Les organismes vivant dans l'eau de mer sont des régulateurs hypoosmotiques. Ils ont une valeur osmotique inférieure à celle de leur environnement, ce qui entraînerait une perte d'eau permanente sans contre-régulation. Ils excrètent donc activement les sels par les branchies.

La plupart des espèces de poissons sont restreintes aux milieux d'eau douce ou d'eau salée (sténohaline). Les espèces dont l'osmorégulation permet la vie dans une large gamme de salinité sont appelées euryhaline.

Osmorégulation des plantes

En général, les plantes doivent absorber l'eau pour compenser la perte. Les plantes supérieures évaporent l'eau principalement à la surface des feuilles et à travers leurs stomates, qui sont responsables de l'absorption de CO₂, ce qui est important dans la photosynthèse.

De nombreuses plantes montrent des adaptations de leurs feuilles, ce qui minimise la perte d'eau due à la transpiration. Ceux-ci comprennent des feuilles en forme d'aiguilles, des stomates enfouis et une cuticule épaissie comme chez les pins. Les herbes ammophiles de plage Ammophila ont enroulé des feuilles avec des stomates internes.

D'autres espèces ont mis au point des méthodes de stockage de l'eau pour absorber l'eau lorsqu'elle est abondante pour la sécheresse. Les xérophytes sont des plantes d'habitats secs qui peuvent supporter des sécheresses prolongées.

Les plantes succulentes telles que les cactus emmagasinent l'eau dans des tissus parenchymateux étendus.

L'apport d'eau et l'absorption sont déterminés par les influences internes et externes qui affectent la transpiration de la plante. La plupart des plantes supérieures n'ont pas d'organes spécifiques pour l'osmorégulation, à l'exception des glandes salées dans la mangrove et de certaines plantes pionnières, y compris les plantes salées. Ceux-ci peuvent absorber l'eau salée qui prévaut dans leur environnement.

Osmorégulation des unicellulaires

Certains organismes unicellulaires tels que les paramécies, les amibes ou les algues euglènes Euglena ont une ou plusieurs vacuoles contractiles, qui absorbent l'excès d'eau du cytoplasme par osmose. Le contenu de la vacuole contractile peut être retiré de la cellule soit par un pore (paramécie) ou une exocytose.

Selon l'espèce, la fréquence pulsatile des vacuoles contractiles varie de 5 à 10 secondes (Paramecium caudatum) à 30–40 minutes (dans le cas du corymoïde Spirostomum) et est influencée par un certain nombre de facteurs externes tels que le gradient de concentration ionique et la température, des facteurs environnementaux.

Osmorégulation chez les animaux

L'osmolarité du liquide extracellulaire chez l'homme est déterminée de manière décisive par la concentration de sodium, le potassium intracellulaire étant le plus important. Cependant, l'osmolarité n'est pas maintenue constante en régulant les niveaux d'ions, mais en régulant la quantité d'eau dans laquelle les particules sont dissoutes.

Contrairement aux sels, qui ne peuvent traverser que des membranes étroitement régulées, l'eau est distribuée librement dans tout le corps, compensant presque toutes les différences d'osmolarité, entraînées par la pression osmotique.

Régulation de l'absorption et l'excrétion de l'eau libre est susceptible de maintenir l'osmolarité dans tout le corps afin que les cellules ne rétrécissent pas ou ne gonfle pas. En contrôlant le niveau de sodium, la régulation du volume garantit que l'osmorégulation n'entraîne aucun changement de volume indésirable dans l'espace extracellulaire.

Essentiellement, l'osmorégulation se compose de deux circuits de contrôle dont les capteurs sont dans chaque cas des osmocapteurs dans l'hypothalamus.

Lorsque l'hyperosmolarité (manque d'eau) envoie ces signaux, dans la neurohypophyse, l'hormone antidiurétique (ADH) est libérée, ce qui stimule dans le rein l'incorporation de l'aquaporine 2 dans les tubes collecteurs, réduisant ainsi la sécrétion d'eau, et la soif est déclenchée, ce qui provoque l'absorption de l'eau en buvant par un changement de comportement.

Dans les deux cas, le bilan hydrique devient positif, de sorte que l'hyperosmolarité est efficacement neutralisée (rétroaction négative). En hypoosmolarité (excès d'eau), la régulation est inversée en conséquence.

Troubles de l'osmorégulation humaine

Les troubles osmotiques sont d'une part l'hyperosmolarité due à un manque relatif d'eau et d'autre part l'hypoosmolarité due à l'excès relatif d'eau.

Puisque le plasma sanguin fait partie du liquide extracellulaire et que son osmolarité est donc principalement déterminée par la concentration en sodium, l'hyperosmolarité peut être assimilée à une hypernatrémie et une hypoosmolarité à l'hyponatrémie (une exception à cette règle est l'hyponatrémie hyperosmolaire due à un excès d'osmolytes non ioniques comme le glucose).

Un trouble impressionnant de l'osmorégulation est le diabète insipide. En raison de l'échec de la première boucle de contrôle (absence de sécrétion d'ADH, absence d'effet ADH dû au récepteur défectueux ou à l'aquaporine défectueuse) il existe une polyurie permanente (excrétion de grandes quantités d'urine hypoosmolaire) et une hyperosmolarité conséquente.

Cependant, puisque la deuxième boucle est intacte, la soif motive les personnes atteintes à absorber de grandes quantités de liquide (polydipsie), de sorte qu'un équilibre hydrique équilibré soit atteint.

Les personnes âgées ont souvent une soif diminuée. Une perte d'eau importante, telle que la transpiration pendant les journées chaudes, peut entraîner un manque d'eau connu sous le nom d'exsiccose. Les personnes ayant une soif intacte peuvent également développer une exsiccose si elles ne boivent pas malgré la soif.

Les états pathologiques décrits jusqu'ici par une déshydratation isolée peuvent être résumés comme hypohydratation hyperosmolaire.

Un excès d'eau isolé (hyperhydratation hypoosmolaire) n'est guère possible avec une osmorégulation intacte, car l'excès d'eau peut être éliminé très rapidement; les causes possibles comprennent l'administration de grandes quantités de solutions hypo-osmolaires (consommation excessive d'alcool) - en particulier chez les patients présentant une insuffisance rénale - ainsi que le syndrome de Schwartz-Bartter ou syndrome de sécrétion inadéquate d'ADH.

En rapport avec "osmorégulation"

• choc osmotique

  

  Le choc osmotique consiste en une dérégulation des pressions des deux côtés d'une membrane qui ne peut mécaniquement pas résister à ce changement brutal...

• coefficient osmotique

  

  Un coefficient osmotique φ est une grandeur qui caractérise l'écart d'un solvant du comportement idéal, indicateur de la pression osmotique, par rapport à...

• hyperosmotique

  

  Hyperosmotique se dit d'un milieu de plus forte osmolarité que le milieu intracellulaire et s'oppose à hyposmotique, et complète isosmotique.

• hyposmotique

  

  Hyposmotique qualifie un milieu de plus faible osmolarité que le milieu intracellulaire.