Cours 1

La physiologie est la science qui étudie les fonctions et les processus normaux de l'organisme vivant, de la cellule jusqu'à l'organisme complet. Elle permet de distinguer ce qui est normal de ce qui est pathologique dans le fonctionnement biologique.

Claude Bernard a introduit en 1856 le concept fondamental de milieu interne, qui désigne l'ensemble des liquides de l'organisme incluant le sang, la lymphe, le liquide céphalo-rachidien et les humeurs des cavités séreuses. Ce milieu liquidien assure le transport de gaz et de nutriments, ainsi que l'élimination des déchets produits par environ 100 trillions de cellules.

Le liquide extracellulaire constitue le milieu interne en mouvement permanent. L'eau, composante dominante de toute matière vivante et de toutes les humeurs, joue un rôle crucial en tant que solvant pour les substances organiques et inorganiques, en tant que siège des processus physico-chimiques, et en tant que facteur essentiel du maintien de l'homéostasie.

L'eau est le constituant principal de la matière vivante et des humeurs de l'organisme. Elle agit comme solvant pour les substances minérales et organiques, elle est le siège des processus physico-chimiques et biologiques essentiels, et elle assure le maintien de l'homéostasie.

Chez l'adulte jeune et sain, le contenu en eau représente 56 à 60% du poids corporel, soit environ 40 à 42 litres pour une personne de 70 kg. Ce pourcentage varie selon le sexe : environ 56% chez la femme (due à une plus grande quantité de tissu adipeux hydrophobe) et environ 60% chez l'homme. Il diminue également avec l'âge, atteignant environ 75% chez le nouveau-né, et baisse en cas d'obésité.

L'eau totale (ET) est distribuée en deux grands compartiments liquidiens : le compartiment intracellulaire (LIC) qui représente environ 40% du poids corporel (environ 25 litres chez un adulte de 70 kg) et le compartiment extracellulaire (LEC) qui représente environ 20% du poids corporel (environ 17 litres). Le LEC se subdivise en trois sous-compartiments : le plasma sanguin (environ 4% du poids corporel, soit 3 litres), le liquide interstitiel qui entoure les cellules (environ 15% du poids corporel, soit 13 litres), et les liquides transcellulaires sécrétés par les épithéliums spécialisés (environ 1% du poids corporel). Les liquides transcellulaires incluent les liquides des cavités séreuses, le liquide céphalo-rachidien et l'humeur aqueuse.

Le liquide intracellulaire est riche en ions potassium (K⁺) et pauvre en ions sodium (Na⁺) et chlore (Cl⁻), tandis que le liquide extracellulaire (plasma et liquide interstitiel) est riche en Na⁺ et Cl⁻ et pauvre en K⁺. Les cations se déplacent entre les compartiments par diffusion selon leur gradient de concentration : le Na⁺ tend à pénétrer dans la cellule et le K⁺ tend à en sortir. Les cellules maintiennent ces gradients grâce à la pompe Na⁺/K⁺ qui évacue 3 ions Na⁺ et introduit 2 ions K⁺. Le plasma et le liquide interstitiel ont une composition ionique quasi similaire, sauf que le liquide interstitiel manque de protéines plasmatiques.

Le transport à travers les membranes cellulaires s'effectue selon deux niveaux : le macrotransfer, qui concerne les macromolécules, et le microtransfer, qui régit l'eau, les ions et les petites molécules. Ces derniers suivent soit une voie directe à travers la bicouche phospholipidique pour les substances liposolubles, soit une voie médiée par des protéines spécialisées pour les molécules hydrosolubles.

La diffusion simple est un transport passif sans dépense énergétique, caractéristique des substances liposolubles neutres telles que les gaz respiratoires (O₂, CO₂), les hormones stéroïdes et certains médicaments. Ces molécules traversent directement la membrane en direction de leur gradient de concentration, avec une vitesse proportionnelle à leur liposolubilité.

Les substances neutres se déplacent selon leur gradient chimique, tandis que les espèces chargées obéissent au gradient électrochimique, qui combine à la fois la concentration et le potentiel électrique transmembranaire. Le transport passif ne fournit donc aucune énergie (pas d'ATP) et s'effectue naturellement vers l'équilibre.

Les ionophores sont des polypeptides naturels ou synthétiques capables de fixer et de transporter passivement des ions spécifiques en direction du gradient électrochimique. La gramicidine, ionophore de type canal, facilite le passage du sodium, tandis que la valinomycine, ionophore mobile, est sélective pour le potassium.

L'osmose est la diffusion de l'eau par une membrane semi-perméable vers une solution plus concentrée. La pression osmotique, mesurée en mOsm/l, résulte du mouvement brownien des particules dissoutes. Chez l'humain, tous les compartiments liquidiens maintiennent une pression osmotique de 290-300 mOsm/l, valeur critique pour la viabilité cellulaire.

Une solution isotonique (comme le sérum physiologique NaCl 0,9 g/dL) possède la même pression osmotique que les liquides biologiques : un érythrocyte y conserve sa forme et son volume. Une solution hypotonique provoque l'entrée d'eau dans la cellule, qui enfle puis écla en libérant son hémoglobine (hémolyse). Une solution hypertonique attire l'eau hors de la cellule, qui se déshydrate et se ratatine.

Les canaux ioniques et les transporteurs membranaires sont les structures clés permettant le passage sélectif des ions et des petites molécules à travers la membrane cellulaire. Ce chapitre approfondit leurs mécanismes de fonctionnement, leur régulation et les deux modes de transport médié qu'ils assurent : la diffusion facilitée (passive) et le transport actif (consommateur d'énergie).

Les canaux ioniques sont des protéines intégrales de membrane non ouverts en permanence qui permettent le passage passif des ions en direction de leur gradient électrochimique. Ils se caractérisent par trois propriétés fonctionnelles : la sélectivité (ils laissent passer certaines espèces ioniques en particulier), la perméabilité (contrôlée par des portes conformationnelles) et la présence de capteurs canalaires qui régulent leur ouverture ou fermeture en réponse à divers signaux.

Les canaux ioniques sont régulés par des capteurs canalaires qui détectent différents signaux : les variations de potentiel transmembranaire (canaux voltage-dépendants), les ligands extracellulaires comme les neurotransmetteurs (canaux ligand-dépendants), les messagers intracellulaires tels que l'AMPc ou l'IP₃ (canaux activés par messagers), et les forces mécaniques (canaux mécano-activés). Chaque type de capteur provoque des modifications conformationnelles de la protéine canalaire qui ouvrent ou ferment les portes.

Les transporteurs membranaires sont des protéines intégrales de membrane dotées de deux portes (interne et externe) qui ne s'ouvrent jamais simultanément. Entre ces deux portes se trouve un site de liaison spécifique pour la substance à transporter. Le transporteur fonctionne par cycle : la substance se fixe au site de liaison quand la porte externe s'ouvre, puis le transporteur change de conformation, la porte externe se ferme et la porte interne s'ouvre pour libérer la substance de l'autre côté.

Les transporteurs présentent trois caractéristiques principales : la spécificité (chaque transporteur ne transporte qu'une substance ou des substances très similaires), la saturation (il existe un transport maximal Tm au-delà duquel aucune augmentation de substance ne peut être transportée), et la compétition (quand deux substances similaires utilisent le même transporteur, celle pour laquelle l'affinité est la plus grande sera privilégiée).

La diffusion facilitée est un transport passif médié par des transporteurs membranaires qui se réalise sans dépense énergétique, en direction du gradient de concentration. Des molécules comme les monosaccharides (glucose, fructose, galactose) et les acides aminés, trop hydrosolubles pour traverser directement la membrane, utilisent des transporteurs spécifiques (par exemple GLUT2 ou GLUT5 pour les sucres) qui les rendent effectivement liposolubles et permettent leur diffusion à travers la bicouche lipidique.

Le transport actif est un transport médié consommateur d'énergie (ATP) qui permet le déplacement de substances contre leur gradient de concentration. Exemple majeur : la pompe Na+/K+-ATPase, qui évacue activement 3 ions Na+ hors de la cellule et introduit 2 ions K+ à l'intérieur, maintenant ainsi les gradients ioniques essentiels au fonctionnement cellulaire malgré la fuite passive constante des ions à travers les canaux.