ULg Physiol Animale


CHAPITRE 1
Compartiments - Relations hydriques


7. CONTRÔLE DE L'OSMOLARITÉ ET DU VOLUME CELLULAIRE *

7.1. Généralités - Le volume cellulaire en conditions isosmotiques et anisosmotiques

7.2. L'équilibre isosmotique cellulaire

7.3. Régulation osmotique en conditions isosmotiques

7.4. Régulation osmotique en conditions anisosmotiques

7.4.1. Évolution du volume cellulaire en conditions anisosmotiques

7.4.2. Contrôle de l'osmolarité et du volume cellulaire en choc hypoosmotique (RVD)

a) régulation des teneurs en ions
b) régulation des teneurs en osmolytes organiques

7.4.3. Contrôle de l'osmolarité et du volume cellulaire en choc hyperosmotique (RVI)

7.5. Signalisation cellulaire et contrôle de volume

7.6. Effets "compensateurs" des effecteurs osmotiques organiques

7.1. Généralités - Le volume cellulaire en conditions isosmotiques et anisosmotiques

Comme nous l'avons vu précédemment, les mouvements d'eau sont largement plus rapides que les mouvements de solutés au niveau des membranes cellulaires (voir 5.4.1). Les cellules animales n'ayant, à l'inverse des cellules végétales, qu'une membrane plasmique extrêmement souple, une modification de concentration en un ou plusieurs de ces solutés va donc engendrer en réaction immédiate des mouvements d'eau et donc des variations de volume cellulaire qui seront ensuite compensées par un ajustement de la concentration en solutés amenant une régulation de volume. Dans ce cadre, on oppose souvent la régulation dite anisosmotique de l'osmolarité des liquides extracellulaires à la régulation dite isosmotique des liquides intracellulaires.

La régulation anisosmotique des liquides extracellulaires concerne les mécanismes de gestion des balances hydrique et osmotique mis en œuvre chez les différentes espèces pour contrôler leur osmolarité sanguine à des niveaux plus ou moins différents de ceux du milieu extérieur. Ces mécanismes ont été brièvement envisagés dans la partie A de ce chapitre (voir section 2). La régulation isosmotique des liquides intracellulaires concerne les mécanismes que nous allons envisager ici et qui sont impliqués dans le contrôle de l'osmolarité intracellulaire de manière à la maintenir voisine de celle du milieu extracellulaire, empêchant ainsi les mouvements d'eau et, dès lors, les variations de volume (équilibre isosmotique). Ces variations pourraient en effet être extrêmement néfastes dans la mesure où les cellules sont des organisations d'architectures macromoléculaires fonctionnant de manière optimale dans le cadre d'une organisation spatiale donnée. Celle ci doit être maintenue, et donc les variations de volume évitées, pour maintenir une activité optimale (figure 1-77).

En considérant la régulation isosmotique intracellulaire, il y a lieu de distinguer des chocs hypoosmotiques, engendrant des augmentations de volume cellulaire et des phases de "diminution régulatrice de volume" (RVD des anglo-saxons pour Regulatory Volume Decrease) et des chocs hyperosmotiques, engendrant des diminutions de volume et des phases "d'augmentation régulatrice de volume" (RVI des anglo-saxons, pour Regulatory Volume Increase). Il est clair qu'un choc hypoosmotique pourra être engendré aussi bien par une diminution de l'osmolarité des milieux extracellulaire et sanguin que par une augmentation de l'osmolarité du liquide intracellulaire. De même, un choc hyperosmotique pourra résulter d'une augmentation de l'osmolarité des milieux extracellulaire et sanguin ou d'une diminution de l'osmolarité du liquide intracellulaire (figure 1-77).

Figure 1-77

Figure 1-77 : Régulations isosmotique des liquides intracellulaires et anisosmotique des liquides extracellulaires. La première est présente au niveau de toutes les cellules de tous les organismes ; elle tend à maintenir l'osmolarité cellulaire (p2) voisine de celle du milieu extracellulaire (p2). La seconde n'est présente que chez certaines espèces et tend à maintenir l'osmolarité du milieu extracellulaire (p2) à un niveau différent de celle du milieu extérieur (p1). Une situation hypoosmotique peut résulter d'une diminution de l'osmolarité du milieu extracellulaire (p2 à p4 avec p2 > p4 ) ou d'une augmentation de l'osmolarité cellulaire (p2 à p3 avec p3 > p2). Elle induit un gonflement par entrée d'eau qui sera régulé dans le cadre d'un processus de RVD (Regulatory Volume Decrease) impliquant une diminution de concentration en différents effecteurs osmotiques visant à ramener l'osmolarité intracellulaire à une valeur voisine de celle du milieu extracellulaire (p2 æ p4 ou p3 æ p2). Une situation hyperosmotique peut résulter d'une augmentation de l'osmolarité du milieu extracellulaire (p2 à p3 avec p3 > p2) ou d'une diminution de l'osmolarité cellulaire (p2 à p4 avec p2 > p4). Elle induit une diminution du volume cellulaire par sortie d'eau qui sera régulée dans le cadre d'un processus de RVI (Regulatory Volume Increase) impliquant une augmentation de concentration en différents effecteurs osmotiques visant à ramener l'osmolarité intracellulaire à une valeur voisine de celle du milieu extracellulaire (p2 ä p3 ou p4 ä p2).

En envisageant la régulation anisosmotique des liquides extracellulaires (section 2 ci-avant), nous avons vu que l'osmolarité du sang peut varier dans une mesure non négligeable en fonction des conditions extérieures. Chez différents invertébrés euryhalins hyperosmorégulateurs ou osmoconformes par exemple, l'osmolarité sanguine peut passer de quelque 1000 mOsm/l lorsque l'animal est en eau de mer à quelque 450-500 mOsm/l au cours de l'adaptation à un milieu suffisamment dilué. Les cellules auront dans ces cas à supporter des changements d'osmolarité d'environ 500 mOsm/l. Chez différentes espèces, les variations peuvent être largement plus importantes, allant par exemple jusqu'à 2000 mOsm/l et plus chez le vers serpulidé euryhalin Mercierella enigmatica ou chez le mollusque opistobranche Elysia chlorotica en fonction des changements de salinité du milieu extérieur qu'auront à supporter ces animaux (Gilles et Delpire, 1997). Chez certains mammifères, des variations allant jusqu'à 30-35% de la teneur en eau totale peuvent être supportées sans problème en cas de déshydratation (chèvre du désert, chameau). Même chez les espèces homéosmotiques n'ayant jamais à subir des conditions extérieures extrêmes, l'osmolarité des liquides extracellulaires peut varier largement au niveau de certains tissus. Ainsi, les cellules papillaires des extrémités des boucles de Henley, dans les reins des mammifères, auront à supporter, en fonction de la diurèse, une osmolarité environnante pouvant varier de 700 mOsm/l à 2000 mOsm/l ou largement plus suivant les espèces considérées. (3.5, tableau 1-8).

L'activité des cotransporteurs Na+-glucose et Na+-acides aminés au niveau de la face apicale des entérocytes intestinaux paraît par ailleurs pouvoir faire augmenter l'osmolarité du liquide intracellulaire de ces cellules de 50 à 100 mOsm ; une variation largement suffisante pour entraîner une entrée d'eau massive et la lyse des cellules si un mécanisme efficace de RVD n'intervenait pas. Il est clair que, dans tous ces exemples, la survie des cellules et donc celle des organismes, va dépendre de leur capacité à supporter les chocs hypoosmotiques et à réguler leur osmolarité.

Les exemples de chocs hyperosmotiques sont tout aussi nombreux. Il est clair qu'un invertébré euryhalin hyperosmorégulateur ou osmoconforme passant d'un milieu dilué auquel il est adapté à un milieu concentré verra l'osmolarité de son sang augmenter dans les mêmes proportions que lorsqu'il subit la variation inverse. De même, si lors d'une diurèse importante, les cellules papillaires du rein doivent s'adapter à une large diminution de l'osmolarité du milieu extracellulaire, elles devront subir une augmentation d'osmolarité de même amplitude lors d'une antidiurèse correspondante.

7.2. L'équilibre isosmotique cellulaire

On admet classiquement que les cellules animales sont en équilibre isosmotique avec leur milieu extérieur. Les solutés les plus importants intervenant dans cet équilibre (osmolytes majeurs) comprennent les ions inorganiques Na+, K+ et Cl-. Différents composés organiques interviennent également de façon importante chez certaines espèces marines : chondrichtyens, agnathes ou invertébrés (voir section 1.4 et figure 1-78 ci-après). Il s'agit de l'urée, de certains acides aminés, de différents polyols et de dérivés de l'ammonium quaternaire. Chez ces espèces, l'osmolarité des liquides extra et intracellulaires avoisine les 1000 mOsm/l alors que la concentration en ions inorganiques intracellulaires ne peut rendre compte que de quelque 150 à 250 mOsm/l. Le déficit osmotique laissé par les ions est en fait comblé par accumulation de ces osmolytes organiques. Le rôle de ces composés est quantitativement nettement moins important chez les autres espèces au niveau desquelles l'équilibre isosmotique s'établit à des osmolarités comprises entre 200 et 350 mOsm/l (section 1.4, figure 1-78 ci-après). Mis à part l'urée, ces composés sont néanmoins toujours présents. Comme nous le verrons par la suite, ils jouent, à côté de leur rôle osmotique, un rôle essentiel de stabilisation des architectures macromoléculaires (voir 7.6 ci-après).

Il est à noter par ailleurs que les effecteurs osmotiques organiques interviendront également de façon majeure dans les ajustements osmotiques qui s'opèrent au niveau des cellules lorsqu'elles sont soumises à des chocs hypo ou hyperosmotiques. Il est clair dans ce cadre que toute modification de concentration en un ou plusieurs solutés d'un côté ou de l'autre de la membrane plasmique ou toute modification d'hydratation du compartiment sanguin induira une rupture de l'équilibre isosmotique. Celui-ci sera rétablit plus ou moins rapidement par la cellule par modification de la teneur en un ou plusieurs effecteurs osmotiques, annihilant le déséquilibre osmotique, cause de variation de volume (voir plus loin 7.4.2 et 7.4.3).

Comme nous l'avons déjà signalé, les variations d'osmolarité peuvent être considérables, donnant lieu au développement de pressions osmotiques importantes que les cellules ne sauraient supporter. Ainsi, par exemple la dilution de l'eau de mer (1000 mOsm/l) à une eau saumâtre à 500 mOsm/l lors d'un changement de marée mettra les cellules des mollusques intertidaux (espèces osmoconformes) devant une diminution rapide de l'osmolarité du liquide paléale de 500 mOsm/l. En imaginant que les cellules ne rétablissent pas l'équilibre isosmotique rompu par ce changement de conditions et maintiennent leur osmolarité interne primitive, on peut calculer que la pression de gonflement à laquelle elles seraient soumise serait de 11,2 Atm, soit la pression équivalente à une colonne d'eau de près de 110 m de haut ! Ce calcul est basé sur la relation de van'Hoff, selon laquelle la pression osmotique p développée entre deux solutions d'osmolarités différentes séparées par une membrane semi-perméable est de :

p = RT.DC

avec DC la différence d'osmolarité entre les deux solutions.

En utilisant la même relation, on peut également calculer que les cellules papillaires du rein seraient soumises à une pression de gonflement de l'ordre de 22,4 Atm lors d'une phase de diurèse faisant passer l'osmolarité de l'espace extracellulaire de la médullaire de 1750 à 750 mOsm/l.

Figure 1-78

Figure 1-78 : Équilibre isosmotique cellulaire et principaux effecteurs osmotiques (osmolytes majeurs). A : Chez les invertébrés, agnathes et chondrichtyens marins. B : Chez la plupart des autres espèces. Autres : Effecteurs osmotiques organiques. Ils font partie des mêmes catégories dans les groupes A et B. L'urée n'intervient comme effecteur osmotique majeur que chez les chondrichtyens marins. Les chiffres sont donnés à titre indicatif. Détails dans le texte.

De tels calculs sont évidemment théoriques et il est clair que les cellules mettent rapidement en œuvre des mécanismes leurs permettant de rétablir l'équilibre isosmotique rompu en contrôlant activement la concentration de leurs effecteurs osmotiques majeurs.

Indépendamment des problèmes de contrôle de volume auxquels elles doivent faire face dans les conditions de rupture de l'équilibre isosmotique qui viennent d'être évoquées, les cellules animales doivent également faire face à des problèmes de maintien de volume en conditions isosmotiques. Cette problématique relève de la présence dans le milieu intracellulaire de macromolécules chargées négativement qui ne peuvent diffuser à travers les membranes plasmiques. Les macromolécules vont engendrer un déséquilibre de charges diffusibles qui, s'il n'était pas compensé, devrait amené un gonflement et une lyse cellulaire ( voir 7.3 ci-après).

Nous allons donc envisager les mécanismes de contrôle de l'osmolarité du liquide intracellulaire successivement au niveau de cellules en conditions isosmotiques puis en conditions anisosmotiques. On parle souvent dans ce cadre de mécanismes de contrôle du volume cellulaire. En fait, dans le cadrage spécifique qui nous occupe, le volume cellulaire n'est contrôlé que suite à une régulation de l'osmolarité du liquide intracellulaire. De même, les variations de volume ne sont observées que dans le cadre de modification de l'équilibre osmotique existant entre les cellules et leur milieu extérieur. Elles sont toujours relatives dans ce cadre à l'établissement de mouvements osmotiques d'eau. Les modifications de volume qui peuvent être observées dans d'autres conditions comme la croissance cellulaire ou l'apoptose par exemple font intervenir d'autres mécanismes que nous n'aborderont pas ici et qui restent par ailleurs extrêmement mal connus.

7.3. Régulation osmotique en conditions isosmotiques

Comme nous l'avons signalé plus haut, les cellules en conditions d'isosmoticité avec leur milieu extérieur restent soumises à des problèmes osmotiques importants. Ceux-ci sont en rapport avec la présence, dans le milieu extracellulaire, de quantités importantes de macromolécules non diffusibles chargées négativement. Ces charges "fixes" vont influencer la distribution des charges diffusibles se trouvant de part et d'autre de la membrane cellulaire. Il s'agit essentiellement des ions inorganiques dits majoritaires Na+, K+ et Cl- qui, comme nous l'avons vu, constituent l'essentiel des solutés chargés dans les liquides biologiques.

La distribution particulière des charges diffusibles en fonction de l'existence d'éléments macromoléculaires non diffusibles et de charge globale négative dans le milieu intracellulaire est régie par l'équilibre dit de Gibbs-Donnan, du nom des deux scientifiques qui les premiers l'étudièrent.

Considérons donc, dans un exemple simple, un système de type cellulaire contenant des charges diffusibles (Na+, Cl-) en concentrations égales à celles du milieu extérieur et dans lequel on introduit 50 charges négatives (P-) non diffusibles. Les deux compartiments sont séparés par une membrane perméable aux deux ions. Elle est par ailleurs rigide, constituant un compartiment "cellulaire" de volume fixe. Cette dernière condition, bien que peu en rapport avec la structure des membranes des cellules animales, est essentielle dans le système de Gibbs-Donnan. Comme nous allons le voir ce système ne pourrait en effet jamais atteindre un équilibre sans parois rigides.

Du fait que les deux compartiments doivent être électriquement neutres, il ressort que :

Na+0 = Cl-0   et   Na+i = P-+ Cl-i    (1)

Par ailleurs, il est clair qu'à l'équilibre, les ions diffusibles doivent être distribués de telle sorte que le potentiel développé par leur diffusion doit satisfaire simultanément leurs équilibres de distribution, soit :

   (2)

ou encore que le travail requis par la diffusion d'un ion dans un sens soit égal au travail requis par la diffusion de l'autre ion dans l'autre sens, soit :

   (3)

De (2) et (3), il découle que :

   (4)

Remplaçant dans (4), Cl-i et Na+i par leurs valeurs dans (1), on obtient :

D'où les équations :

et  

et leurs solutions :

et  

Remplaçant P- et Cl-0 par leurs valeurs respectives (50 et 150), on obtient à l'équilibre :

Na+i = 177,07   et   Cl-i = 127,07

On remarque dès lors que l'équilibre de Gibbs-Donnan génère une distribution inégale des charges diffusibles de part et d'autre de la membrane. Ce qui va engendrer : 1) un potentiel transmembranaire, dit potentiel de Donnan, dans lequel le milieu intérieur est négatif par rapport à l'extérieur et 2) un déséquilibre osmotique, le milieu intérieur étant hyperosmotique par rapport au milieu extérieur. Il s'établit donc une certaine pression de gonflement qui, dans le système de Gibbs-Donnan, est sans gravité puisque la cellule modèle considérée est supposée avoir une paroi rigide.

Figure 1-79

Figure 1-79 : Un exemple simple d'équilibre de Gibbs-Donnan montrant le développement d'une pression de gonflement due à la distribution particulière des charges diffusibles qu'il induit (IN : Na+i + Cl-i = 304,14 et OUT : NA+0 + Cl-0 = 300). Ce type d'équilibre n'est donc envisageable que si les cellules possèdent des parois rigides capables de résister à cette pression. Détails dans le texte.

Un équilibre de type Gibbs-Donnan participe certainement à l'établissement de la turgescence observée au niveau des cellules végétales et des microorganismes qui ont une paroi rigide doublant la membrane plasmique. Au niveau des cellules animales qui n'ont qu'une membrane plasmique souple, le déséquilibre osmotique du à la présence de protéines de charge globale négative devrait entraîner le développement d'une pression de gonflement par entrée d'eau aboutissant à une lyse. Un moyen d'éviter ce problème serait de rendre la membrane virtuellement imperméable aux ions diffusibles en faisant rentrer les ions sortants au fur et à mesure qu'ils sortent et en faisant sortir les ions entrants au fur et à mesure qu'ils entrent.

On considère classiquement que le système de "pompes et fuites" d'ions que nous avons envisagé précédemment (voir 5.4.4), joue ce rôle majeur. Mis à part ces autres rôles, il doit donc être envisagé comme un élément essentiel du maintien du volume cellulaire en conditions isosmotiques puisqu'il rend la membrane virtuellement imperméable aux ions diffusibles dits majoritaires (Na+, K+ et Cl-).

On interprète aisément dans le cadre d'un tel système le phénomène dit d'hémolyse colloïdosmotique qui se traduit par une lyse avec perte d'hémoglobine au niveau de globules rouges mis en présence d'inhibiteurs métaboliques tels que le 2-4-dinitrophénol par exemple. En fait, cet agent découplant des phosphorylations oxydatives inhibe fortement la formation d'ATP, induisant dès lors une inhibition de l'activité des systèmes de "pompes et fuites" et amenant les globules rouges en équilibre de Gibbs-Donnan. L'entrée d'eau qui en résulte provoque un gonflement qui induit finalement une lyse.

Différents éléments restent cependant encore obscurs dans la participation du système de "pompes et fuites" au maintien du volume cellulaire. L'un d'entre eux, et non des moindres, concerne le fait qu'au niveau de nombreux types cellulaires, l'ouabaïne, inhibiteur spécifique de la Na+/K+ATPase (voir 5.4.3.c.1), ne provoque aucune variation notable de volume bien qu'elle induise une modification des concentrations en ions intracellulaires en rapport avec le blocage de cette pompe. L'augmentation de Na+ et la diminution de K+ s'effectuent cependant dans ces conditions suivant une stoïchiométrie d'échange 1:1 n'induisant donc pas de variation de volume, alors qu'il devrait être de 3 Na+ entrants pour 2K+ sortants selon la stoïchiométrie d'échange admise pour la pompe Na+/K+. De toute façon, il est clair qu'on ne peut considérer un mécanisme de maintien de volume basé uniquement sur l'activité d'une pompe effectuant un échange 3 Na+ sortants pour 2 K+ entrants. Il faut, pour éviter tout développement de déséquilibre osmotique, envisager des systèmes complémentaires ramenant un échange 1:1, soit par entrée de Na+ ou par sortie de K+. Une discussion plus approfondie de ces problèmes sort du cadre de ce volume, nous renverrons donc le lecteur intéressé à des revues spécialisées.

7.4. Régulation osmotique en conditions anisosmotiques

Dans de nombreuses conditions, les cellules animales vont devoir s'adapter à des modifications de l'équilibre osmotique qu'elles établissent avec leur milieu extérieur (voir 7.1 ci-avant). Trois problèmes différents seront envisagés dans ce cadre : 1) les variations de volume qui pourraient s'établir suite à modification de cet équilibre. 2) La régulation de l'osmolarité intracellulaire et du volume cellulaire suite à choc hypoosmotique. 3) La régulation de l'osmolarité intracellulaire et du volume cellulaire suite à choc hyperosmotique.

7.4.1. Évolution du volume cellulaire en conditions anisosmotiques
Toute modification brusque de l'équilibre osmotique entre une cellule animale et son milieu extérieur va se traduire par un mouvement osmotique d'eau et dès lors une variation de volume. La perméabilité à l'eau des membranes plasmiques est en effet largement supérieure à celle aux effecteurs osmotiques. On peut donc considérer que, sur des temps courts, les cellules isolées soumises à des variations brusques d'osmolarité se comportent pratiquement comme des osmomètres. Les relations entre leur volume et les modifications d'osmolarité d'un milieu extérieur de grand volume seront dès lors définies par la relation de Boyle-Van't Hoff :

   (5)

Cette relation définit, en % du volume cellulaire initial considéré comme égal à 100, l'évolution du volume cellulaire V2C pour une modification de l'osmolarité d'un liquide extérieur de p1 à p2, avec V1 représentant le volume d'eau intracellulaire osmotiquement actif. Elle a été établie considérant 1) que seuls des mouvements d'eau peuvent intervenir dans l'ajustement de l'osmolarité du compartiment cellulaire. 2) Que le volume du compartiment "extérieur" est largement supérieur à celui du compartiment "cellulaire" et que donc ses variations peuvent être considérées comme n'ayant qu'une influence négligeable sur l'évolution du volume.

Ces postulats n'ont que peu de rapport avec une réalité biologique. Tout d'abord, les variations d'osmolarité n'interviennent jamais de façon brusque, sur quelques secondes (voir plus loin). Ensuite, comme nous le verrons, l'essentiel des mécanismes de contrôle de l'osmolarité intracellulaire, et dès lors du volume cellulaire, porte justement sur une régulation de la concentration en effecteurs osmotiques majeurs de la cellule. Néanmoins, sur des temps courts et en considérant le volume maximum atteint par des cellules isolées suite à l'application d'un choc osmotique brusque dans un milieu de grand volume, on se rend compte que celles-ci obéissent à la relation (5) du moins dans une certaine gamme d'amplitude de chocs osmotiques (figure 1-80). Pour se rapprocher d'une réalité biologique, il faut par ailleurs tenir compte de l'existence d'un milieu extracellulaire spécifique éventuellement différent du milieu extérieur et du rapport de son volume avec celui du compartiment "cellulaire". Ces facteurs interviennent en effet pour minimiser l'importance des variations de volume suite à un choc osmotique d'amplitude donnée.

 
Figure 1-80
 
Figure 1-80 : Volume maximum atteint par des cellules PC12 en culture soumises brutalement à des chocs hypo ou hyperosmotiques d'amplitude p2 / p1 variable. Détails dans le texte.

Dans le cadre de ce propos, un organisme animal peut être considéré comme une série de masses cellulaires (organes) aux membranes plasmiques très souples comprises dans un certain volume de liquides extracellulaires, le tout entouré d'un tégument extérieur nettement moins extensible voir plus ou moins rigide comme chez les arthropodes à squelette externe. Le rôle des liquides extracellulaires peut dans ce cadre être envisagé sous 3 angles différents.

Tout d'abord, comme nous l'avons vu dans la première partie de ce chapitre (cfr. 2.2), l'osmolarité des liquides extracellulaires peut être régulée à un niveau différent de celle du milieu extérieur. Cette régulation "anisosmotique" des liquides extracellulaires comme nous l'avons définie (voir 7.1) intervient clairement pour minimiser l'importance des variations d'osmolarité entre les cellules et le milieu extérieur à l'organisme. A la limite, chez les animaux homéosmotiques, les cellules, sauf quelques cas particuliers, n'ont plus guère à s'adapter à des variations de l'osmolarité du milieu extérieur, celles-ci étant complètement "absorbées" par les mécanismes d'osmorégulation sanguine.

Par ailleurs, une variation d'osmolarité des liquides extracellulaires s'effectue toujours lentement par rapport à la variation de l'osmolarité du milieu extérieur. Ainsi par exemple, chez un crabe chinois Eriocheir sinensis plongé brutalement de l'eau de mer à l'eau douce par exemple, soit d'un milieu de ±1000 mOsm/l à un milieu de ±0,1 mOsm/l, l'osmolarité sanguine ne diminue de 1000 mOsm/l à 500 mOsm/l que sur plus de 24 heures (figure 1-81). Les liquides extracellulaires, de part la lenteur de leurs ajustements osmotiques, jouent donc un rôle de "tampon" donnant aux cellules un temps précieux pour mettre en œuvre les mécanismes spécifiques de régulation de volume dont elles sont pourvues (voir 7.4.2 et 7.4.3 ci-après). Ce temps peut être plus ou moins long, variant de quelques heures à plusieurs jours selon les espèces et les circonstances. Il n'existe cependant à notre connaissance aucune situation au cours de laquelle les cellules pourraient être soumises "in vivo" à une modification immédiate importante de l'équilibre osmotique qu'elles ont établie avec leur milieu environnant. Il semble en effet que les modifications osmotiques les plus "rapides" telles que celles pouvant intervenir en cas de pompage massif de glucose ou d'acides aminés ou, pour les cellules papillaires rénales, en cas de modification de la diurèse, prennent au moins 10 à 30 minutes.

 
Figure 1-81
 
Figure 1-81 : Évolution de l'osmolarité sanguine chez le crustacé euryhalin Eriocheir sinensis lors d'un passage brutal d'un milieu marin à un milieu d'eau douce.

Les liquides extracellulaires interviennent encore dans la limitation des variations de volume d'une troisième façon. Si nous envisageons un organisme de volume relativement fixe, il est clair qu'une modification de l'osmolarité des liquides extracellulaires va induire, vu la variation de volume et d'osmolarité qu'elle engendre au niveau cellulaire, une modification du volume et donc de l'osmolarité de ces liquides ; ce qui minimisera la variation de volume cellulaire prédictible suivant la relation (5). Si nous considérons par exemple (figure 1-82A), une diminution d'osmolarité des liquides extracellulaires de p1 à p2 dans un système de volume fixe, celle-ci va induire par entrée d'eau une augmentation de volume cellulaire tendant à faire diminuer l'osmolarité intracellulaire vers p2. Cette augmentation de volume se faisant au détriment de l'espace extracellulaire, celui-ci va diminuer, provoquant une augmentation d'osmolarité. Le système atteindra un équilibre lorsque les milieux extra et intracellulaire auront atteint une osmolarité identique p3, comprise en p1 et p2. Il apparaît donc clairement que l'évolution du volume cellulaire pour une variation d'osmolarité donnée est fonction du rapport des volumes extracellulaire et intracellulaire. Plus grand sera le volume intracellulaire par rapport à l'extracellulaire, plus petite sera la variation du volume cellulaire pour un changement d'osmolarité donnée (figure 1-82A).

Cette relation est prise en compte dans l'équation de Van't Hoff et Mariotte :

   (6)

qui définit l'évolution du volume cellulaire V2C pour une variation d'osmolarité de p1 à p2 dans un système où a représente le rapport des volumes extracellulaire à intracellulaire (V1 représentant le volume d'eau intracellulaire osmotiquement actif).

Chez les unicellulaires ou les cœlentérés, les cellules sont directement en contact avec le milieu extérieur, le rapport a des volumes des milieux extra à intracellulaire devient donc extrêmement grand et, dès lors, 1/a tend vers 0 ; la relation (6) se ramène alors à la relation (5). Il est intéressant de remarquer que a devient de plus en plus petit au fur et à mesure que l'on s'élève dans l'échelle animale. Ainsi, pour une même variation d'osmolarité et sans faire intervenir les mécanismes de régulation anisosmotique des liquides extracellulaires, on peut constater (figure 1-82B) que la variation de volume cellulaire devrait être plus importante chez un unicellulaire ou un diblastique (a ® ¥) que chez un crustacé (a = 0,850), un poisson (a = 0,262) ou un mammifère (a = 0,185).

Figure 1-82

Figure 1-82 : A : Évolution du volume et de l'osmolarité des espaces intra et extracellulaires suite à une diminution abrupte de l'osmolarité du milieu extérieur (p1 ® p2 avec p1 > p2). B : Effets de chocs hypo ou hyperosmotiques d'amplitude variable (p2 / p1) sur le volume de cellules dans différentes conditions de rapport a de volume extracellulaire à intracellulaire. Détails dans le texte.

Ces considérations mettent bien en évidence un rôle souvent négligé du "milieu intérieur" : celui de minimiser considérablement par sa simple présence physique les contraintes osmotiques auxquelles les cellules pourraient être soumises si elles étaient directement en relation avec le milieu extérieur.

Les cellules animales ont néanmoins à subir des contraintes osmotiques dans différentes conditions. Comme nous allons le voir maintenant, elles sont loin de réagir comme des osmomètres et, de fait, toute variation de volume est contrecarrée par la mise en œuvre de mécanismes de régulation spécifiques. Ceux-ci tendent à rétablir l'équilibre isosmotique rompu, induisant dès lors une régulation de volume.

La plupart des études concernant ces mécanismes ont été effectuées sur tissus ou cellules isolées incubés dans des solutions salines simples ou dans des milieux de culture appropriés. Très peu de travaux ont été réalisés sur des animaux entiers, en conditions physiologiques normales. Le fait que des cellules isolées puissent contrôler leur volume en conditions anisosmotiques montre clairement que les mécanismes impliqués ne font pas essentiellement intervenir des processus organismiques (libération d'hormones par exemple). Ces mécanismes sont donc strictement cellulaires. Ils sont tout à fait différents suite à chocs hypo ou hyperosmotiques. Nous allons donc envisager ces deux situations séparément.

7.4.2. Contrôle de l'osmolarité et du volume cellulaire en choc hypoosmotique (RVD)
Dans les premiers instants suivant l'application brusque d'un milieu hypoosmotique, les cellules gonflent rapidement par entrée osmotique d'eau (figure 1-83). Le gonflement est d'autant plus important que le choc osmotique imposé est important, du moins dans une gamme de dilution du milieu ne dépassant pas une certaine limite ; au delà de celle-ci, le volume maximum atteint cesse d'être directement proportionnel à l'intensité du choc osmotique (figure 1-80). On remarque par ailleurs que le volume maximum atteint est toujours inférieur à celui prédit par la relation de Boyle-Van't Hoff indiquant donc l'existence d'un mécanisme de limitation de gonflement. Celui-ci peut être physiologiquement important puisqu'il empêche une distension trop grande des membranes cellulaire et une lyse irréversible de macromolécules intracellulaires. De plus, une régulation ramenant le volume à des valeurs voisines de valeurs contrôles (RVD : Regulatory Volume Decrease des anglo-saxons) s'installe rapidement. La durée de cette phase de régulation est éminemment variable ; prenant de 5 à 120 minutes suivant le type de cellule ou de tissu étudié. Si, en fin de phase de régulation, les cellules sont replacées dans les conditions de départ, elles montrent une diminution de volume qui, dans la plupart des cas, n'est pas ou n'est que très mal régulée, du moins sur le temps que durent les expériences (voir 7.4.3 ci-après). Cette diminution de volume indique que l'osmolarité des cellules a diminué pendant les phases de limitation et de régulation de gonflement. C'est donc la diminution progressive de l'osmolarité intracellulaire intervenant pendant la régulation qui, en induisant une diminution de la pression de gonflement, permet aux cellules, dont les membranes plasmiques élastiques sont étirées, de reprendre progressivement leur volume originel.

En fait, la diminution de l'osmolarité intracellulaire implique une régulation de la concentration des effecteurs osmotiques cellulaires majeurs (figure 1-83) : c'est à dire les ions inorganiques K+, Na+ et Cl- chez toutes les espèces et les quelques solutés organiques (acides aminés, polyols, urée, etc…) jouant un rôle osmotique plus ou moins important chez les espèces aquatiques jusqu'aux sélaciens ainsi qu'au niveau de certains types cellulaires chez les autres (cellules papillaires rénales par exemple - cfr. 7.2 et 1.4).

 
Figure 1-83
 
Figure 1-83 : Évolution semi-schématique du volume de cellules isolées soumises brutalement à un choc hypoosmotique d'amplitude p2 / p1 = 2. Les cellules possèdent des membranes plasmiques présentant une certaine élasticité. Mises dans un milieu hypoosmotique, elles vont tout d'abord gonfler suite à une entrée osmotique d'eau, celle-ci distendant la membrane et amenant l'osmolarité cellulaire à une valeur proche de celle du nouveau milieu extérieur. Une fois la pression de gonflement annulée, le volume est ramené, dans un processus RVD, à des valeurs voisines de celles de départ par la diminution active de la concentration en effecteurs osmotiques intracellulaires qui s'installe dès l'application du choc. Celle-ci permet en effet une sortie d'eau ; la membrane distendue peut dès lors reprendre progressivement sa tension originale, induisant ainsi une régulation de volume. Le volume maximum atteint (V2C), calculé suivant la relation de van't Hoff devrait être de 175. Détails dans le texte.

a) régulation des teneurs en ions
En ce qui concerne les ions inorganiques, on observe essentiellement une diminution de la concentration intracellulaire en K+ et Cl- , le Na+ variant peu sauf dans quelques cas particuliers. Dans quelques autres cas, la diminution en Cl- est moins importante que celle du K+ ; la balance cation-anion intracellulaire est alors assurée par la diminution en un ou plusieurs solutés organiques anioniques (acide glutamique, aspartique et/ou isoéthionique).

A priori, on peut considérer que tous les mécanismes intervenant dans le système de "pompes et fuites" décrit précédemment (cfr. 5.4.4) peuvent jouer un rôle plus ou moins important dans l'ajustement osmotique des concentrations en K+ et Cl-. Le mécanisme le plus largement impliqué paraît mettre en œuvre des canaux spécifiques au K+ et au Cl- (figure 1-84). Ceux-ci seraient activer par la distension que subit la membrane lors de la phase de gonflement. On parle dans ce cadre de "canaux activés par étirement" (stretch activated channels). L'existence de tels canaux a été clairement mise en évidence lors d'expérience en patch-clamp (cfr. 6.3.1) dans lesquels il est facile de soumettre le morceau de membrane sous la pipette à une légère distension par aspiration.

b) régulation des teneurs en osmolytes organiques
La situation est beaucoup moins claire en ce qui concerne les osmolytes organiques intervenant dans le processus. Pour la plupart d'entre eux, on peut en effet faire intervenir des modifications de flux transmembranaire, de l'équilibre entre synthèse et dégradation ou encore de l'équilibre entre ces molécules et des polymères au niveau desquels ils peuvent être stockés (protéines pour les acides aminés par exemple - figure 1-84). La vitesse à laquelle la régulation de volume (quelques minutes en général) s'effectue "in vitro" dans la plupart des cas exclut la possibilité d'un contrôle majeur par modification de l'expression d'enzymes ou de transporteurs. Les études effectuées ne concernent jusqu'à présent que quelques acides aminés parmi ceux qui jouent un rôle important comme osmolyte intracellulaire (alanine, proline, taurine…). Dans ces cas, on observe essentiellement une modification des flux entrants et sortants (diminution du flux entrant et augmentation du flux sortant) ainsi qu'une augmentation de l'activité de désamination et d'oxydation des squelettes hydrocarbonés. Le NH3 et le CO2 résultant de ce processus sortent de la cellule et n'interviennent dès lors plus comme effecteurs osmotiques cellulaires. Les variations de flux paraissent mettre en jeu des modifications d'activité des transporteurs assurant la diffusion facilitée des osmolytes considérés. Les modifications de l'activité métabolique oxydative seraient à mettre en rapport avec des effets directs de la diminution en ions inorganiques que provoque le gonflement sur l'activité de certaines enzymes. Il est par ailleurs clair que la distension que subit la membrane lors du gonflement peut, si elle est suffisamment importante, provoquer une augmentation de perméabilité non sélective. On peut ainsi mettre en évidence lors de l'application de chocs hypoosmotiques importants des augmentations de flux sortants d'erythritol ou de sorbitol au niveau de cellules chargées expérimentalement en ces substances alors qu'elles n'ont pas de transporteurs spécifiques. A la limite, on peut même obtenir une lyse des éléments macromoléculaires intracellulaires si les cellules sont soumises à un gonflement suffisant. Cette technique est d'ailleurs classiquement employée pour fabriquer des "fantômes" (ghosts) de globules rouges de mammifères ; une préparation de globules rouges ayant perdu leur hémoglobine (d'où leur nom de "ghost") qui fut très utilisée dans l'étude des caractéristiques de différents transporteurs membranaires (cfr. 5.3.2.b). Un tel phénomène est vraisemblablement de peu d'importance physiologique compte tenu des variations de volume relativement faibles auxquels il faut s'attendre in vivo ; les espaces extracellulaires jouant, comme nous l'avons vu (cfr. 7.4.1), un rôle tampon tendant à minimiser largement ces variations.

Figure 1-84

Figure 1-84 : Mécanismes impliqués dans la RVD intervenant suite à gonflement des cellules soumises brutalement à un milieu hypoosmotique. A : Contrôle des voies de sortie des ions K+ et Cl-. SAC : Stretch Activated Channel. B : Contrôle des concentrations intracellulaires en effecteurs osmotiques organiques. Les voies essentiellement impliquées sont représentées par les flèches plus importantes. Détails dans le texte. Notez que l'oxydation en CO2 peut fournir du HCO3- utilisé au transport de Cl- (schéma A).

L'essentiel des études sur la RVD ont jusqu'à présent porté, comme nous l'avons déjà signalé, sur des temps courts. Quelques études ont cependant été entreprises sur des temps plus longs, soit "in vivo" sur des crustacés euryhalins soit sur cellules isolées maintenues en croissance dans des milieux hypoosmotiques. Ces travaux, hélas trop peu nombreux jusqu'à présent, indiquent qu'au cours de l'adaptation, les concentrations en ions inorganiques reviennent progressivement à des valeurs proches des concentrations normales. L'augmentation d'osmolarité que représente cet ajustement est balancée par une diminution concomitante de la concentration en effecteurs osmotiques organiques. Un phénomène similaire de remplacement des ions inorganiques par certains solutés organiques a été mieux mis en évidence dans les études sur la RVI (voir 7.4.3 ci-après). Ce phénomène est d'importance physiologique majeure puisque les variations de concentration en ions sont génératrices de perturbations au niveau des architectures macromoléculaires. Nous reviendrons sur ce problème dans la section 7.6 ci-après.

7.4.3. Contrôle de l'osmolarité et du volume cellulaire en choc hyperosmotique (RVI)
Dans les premiers instants suivant l'application brusque d'un milieu hyperosmotique, les cellules diminuent rapidement de volume par sortie osmotique d'eau (figure 1-85). Cette diminution est d'autant plus importante que l'amplitude du choc est grande. Contrairement à ce qui se passe suite à gonflement en milieu hypoosmotique (cfr. 7.4.2 ci-avant), on n'observe pas ici de régulation rapide de volume. La régulation (RVI) n'intervient en effet que très lentement, prenant, suivant les types cellulaires ou tissulaires considérés, de quelque 24 heures à plusieurs jours. Le phénomène n'est pas plus rapide in vivo, du moins chez les quelques espèces d'invertébrés euryhalins sur lesquels il a pu être étudié (crustacés et mollusques essentiellement).

 
Figure 1-85
 
Figure 1-85 : Évolution semi-schématique du volume de cellules isolées soumises brutalement à un choc hyperosmotique d'amplitude p2 / p1 = 0,5. La diminution de volume qui suit immédiatement l'application du milieu hyperosmotique est très voisine de celle qui peut être calculée par la relation de van't Hoff-Mariotte. On assiste ensuite à une lente régulation associée tout d'abord à une augmentation des teneurs en effecteurs osmotiques inorganiques. La concentration de ceux-ci diminue ensuite concomitamment à une augmentation de la teneur en effecteurs osmotiques organiques. Détails dans le texte.

Les mécanismes de régulation ont été étudiés essentiellement sur des cellules isolées en culture. Les cellules rénales de mammifères ont été un matériel de choix dans ce cadre puisqu'elles peuvent être soumises à d'importantes augmentations d'osmolarité in vivo lors de l'installation d'une antidiurèse. Différentes études sur d'autres types cellulaires permettent cependant de considérer que les mécanismes mis en évidence sont généralement répandus et interviennent au niveau de tous les types cellulaires. La régulation fait intervenir une augmentation de concentration en différents osmolytes intracellulaires. La lenteur du phénomène permet la mise en œuvre de mécanismes géniques de contrôle de l'expression de différents transporteurs ou enzymes. Contrôle génique d'expression et contrôle direct d'activité vont donc intervenir dans la RVI, ce qui n'était guère le cas dans la RVD. Le contrôle génique d'expression paraît même prendre largement le pas sur le contrôle direct d'activité.

La régulation porte aussi bien sur les ions inorganiques que sur les osmolytes organiques. On observe en fait une séquence dans laquelle, les ions inorganiques Na+, K+ et Cl-, augmentent d'abord. Leur concentration est ensuite ramenée à des valeurs voisines des valeurs contrôles. Cette diminution a lieu concomitamment à une augmentation de la teneur en différents effecteurs osmotiques organiques (figure 1-86). Ceci permet de ramener assez rapidement les teneurs intracellulaires en ions à des valeurs voisines des valeurs contrôles alors que l'osmolarité intracellulaire continue à augmenter, les ions étant remplacés par des solutés organiques. Ce phénomène est d'une grande importance physiologique puisqu'il permet le remplacement d'osmolytes inorganiques ayant des effets perturbateurs sur les architectures macromoléculaires par des osmolytes organiques n'ayant pas ces effets (voir 7.6 ci-après).

Figure 1-86

Figure 1-86 : Évolution semi-schématique des teneurs intracellulaires en ions inorganiques, acides aminés et sorbitol au niveau des cellules L929 soumises brutalement à un choc hyperosmotique d'amplitude p2 / p1 = 0,5.

Les variations de teneur en ions inorganiques font intervenir des modifications d'activité de transporteurs (cotransporteur Na+ - K+ - Cl- - Na+/K+ATPase notamment, figure 1-87). La modification des concentrations en solutés organiques paraît plutôt mettre en jeu un contrôle génique d'expression de transporteurs et/ou d'enzymes. Pour certains d'entre eux cependant, tels les acides aminés, un contrôle direct de l'activité de transport transmembranaire ainsi que de l'activité d'enzymes clefs impliqués dans leur métabolisme par l'augmentation de concentration en ions inorganiques intracellulaires, pourrait jouer un rôle non négligeable (figure 1-87).

Figure 1-87

Figure 1-87 : Mécanismes impliqués dans la RVI intervenant suite à diminution du volume de cellules soumises brutalement à un milieu hyperosmotique. A : Contrôle des voies d'entrée des ions Na+, K+ et Cl-. Le système de transport actif Na+/K+ n'intervient pas directement dans la RVI ; il remplace le Na+ entrant par du K+. B : Contrôle des concentrations intracellulaires en effecteurs osmotiques organiques. Les voies essentiellement impliquées sont représentées par des flèches plus importantes. Détails dans le texte.

Les effecteurs osmotiques organiques impliqués sont nombreux et variables selon le type cellulaire considéré. Les cellules rénales de mammifère utiliseront ainsi principalement du sorbitol, de l'inositol, de la bétaïne, de la taurine et de la glycérophosphorylcholine alors que les L929, une souche de cellules dermiques de souris, utiliseront surtout du sorbitol et des acides aminés. L'utilisation d'acides aminés et de certains dérivés paraît assez générale, jouant un rôle plus ou moins important selon le type cellulaire.

L'accumulation de sorbitol paraît essentiellement faire intervenir une augmentation de sa synthèse suite à induction d'une aldose réductase, l'enzyme catalysant sa formation à partir de glucose. L'accumulation de glycérophosphorylcholine met par contre en jeu une diminution de sa dégradation via une diesterase dont l'expression diminue en milieu hyperosmotique. Bétaïne, inositol et taurine sont essentiellement régulés par activation et induction de transporteurs favorisant leur passage du milieu extracellulaire vers le milieu intracellulaire.

7.5. Signalisation cellulaire et contrôle de volume

Comment une cellule perçoit-elle les changements d'osmolarité et/ou de volume et comment sait-elle que les ajustements osmotiques qu'elle a mis en œuvre ont amené l'osmolarité intracellulaire au niveau adéquat ? Ces questions sont loin d'être résolues et c'est en fait sur elles que sont à l'heure actuelle concentrés les efforts de recherche sur les phénomènes de RVD et RVI.

En ce qui concerne la RVD, il est clair que le gonflement initial suivant l'application d'un choc hypoosmotique peut être perçu directement et induire une activation de canaux K+ (cfr. 7.4.2 ci-avant). C'est cependant le seul cas dans lequel on a pu mettre en évidence un effet direct d'une déformation de la membrane plasmique. Par ailleurs, pour qu'un tel signal fonctionne in vivo, il faut admettre que les changements que peut percevoir le système sont extrêmement faibles et puissent s'effectuer sur des temps relativement longs. Comment alors envisager sa spécificité par rapport aux changements membranaires intervenant dans la croissance ou les modifications de forme des cellules ? L'activation d'autres canaux et/ou de transporteurs pourrait mettre en jeu des systèmes rapides de phosphorylation impliquant essentiellement des kinases de signalisation, protéines kinases A et C notamment (figure 1-88 - voir aussi chapitre 9, 4.3.2.c). La RVD pourrait aussi impliquer au niveau de certains types cellulaires la synthèse de différents eicosanoïdes (leucotriène C4 et prostaglandine E2 - voir chapitre 9, 3.5) qui interviendraient via une activation de canaux Cl- calmoduline-dépendants. On observe également lors de l'application de milieux hypoosmotiques de fortes modifications transitoires de l'organisation de différentes architectures macromoléculaires tels microfilaments d'actine ou chromatine (voir 7.6 ci-après). Certains ont dès lors envisager que des modifications des filaments d'actine puissent intervenir dans l'initiation de la RVD. L'activation d'une sérine-thréonine kinase a également été mise en évidence au cours des changements de volume. La production du mRNA de cette protéine paraît en effet fonction de l'osmolarité et du volume de la cellule, étant plus importante en milieu dilué qu'en milieu concentré. Ces résultats indiquent certes des pistes intéressantes. On reste évidemment loin d'une image claire des mécanismes intimes de signalisation contrôlant la RVD.

Les modifications d'activité de transporteurs ioniques en relation avec les premières phases de la RVI paraissent également mettre en œuvre des systèmes de signalisation kinasiques (figure 1-88). En ce qui concerne les phases suivantes, impliquant surtout des modifications géniques de l'expression d'enzymes et de transporteurs aboutissant à l'accumulation de différents effecteurs osmotiques organiques et au remplacement des ions inorganiques par ces derniers, les mécanismes mis en œuvre ne sont guère plus clairs. La mise en évidence dans ce cadre de l'activation de certains gènes par des "éléments de réponse osmotique" permet d'envisager un schéma général similaire à celui décrit dans le cadre des effets de certaines hormones (chapitre 9, 4.2). Dans ce contexte, un signal original, quel qu'il soit, serait perçu par un système de signalisation vraisemblablement kinasique aboutissant à la production de facteurs activateurs qui, se fixant aux éléments de réponse osmotique, stimulerait l'activité transcriptionnelle de différents osmogènes régissant l'expression d'enzymes ou de transporteurs (figure 1-88). Les augmentations de concentration en ions inorganiques intervenant immédiatement après l'application du choc hyperosmotique pourraient constituer un des facteurs déclenchant la séquence. Ces augmentations pourraient par ailleurs induire directement des modifications d'organisation de la chromatine (voir 7.6 ci-après) jouant un rôle permissif dans l'activation des osmogènes.

Figure 1-88

Figure 1-88 : Mécanismes possibles de contrôle des teneurs en ions inorganiques et en effecteurs osmotiques organiques dans les phénomènes de RVD et de RVI. ERO : Éléments de réponse osmotique, Métab : Métabolisme, PK : Protéine Kinase, Transp : Transporteurs. Détails dans le texte.

7.6. Effets "compensateurs" des effecteurs osmotiques organiques

Il est intéressant de remarquer que les effecteurs osmotiques organiques intervenant dans la RVI aussi bien au niveau des tissus d'invertébrés que de vertébrés sont toujours les mêmes et sont relativement peu nombreux. Ces mêmes substances sont par ailleurs mises en œuvre au niveau cellulaire chez des organismes ayant à subir d'autres stress ayant une importante composante osmotique. C'est le cas par exemple pour certains pœcilothermes de régions froides dont les milieux extracellulaires et parfois aussi intracellulaires peuvent geler en période hivernale. La congélation induit une diminution du volume de liquide et donc une large augmentation d'osmolarité et de concentration en ions inorganiques, composants osmotiques majeurs des liquides tissulaires (voir chapitre 10, 2.2.4). C'est le cas également pour différentes espèces d'invertébrés pouvant supporter des déshydratations très importantes comme certains tardigrades, rotifères, nématodes ou la crevette des salines Artémia salina. La mise à sec de ces espèces induit l'organisation d'un stade kystique qui peut supporter une déshydratation poussée pendant des périodes parfois très longues. Dans ces états dits anhydrobiotiques, la teneur en eau total de l'animal peut descendre jusqu'à quelques % du poids total, voire quelques dixièmes de % ; la teneur en eau de l'animal en conditions normale étant d'environ 70%. Tous les aquariophiles connaissent les "œufs" d'Artémia qui sont en fait les formes kystiques de l'animal déshydraté. Il suffit de les remettre dans de l'eau salée pour voir rapidement émerger les formes adultes à partir des kystes et les utiliser pour nourrir les poissons.

Les effecteurs osmotiques intervenant dans ces différentes conditions sont toujours des solutés de faible poids moléculaire de différentes natures chimiques : on y trouve quelques composés azotés : acides aminés tels que proline, glycine, alanine, serine, acide glutamique ou aspartique - amines tels que taurine - dérivés de l'ammonium quaternaire tels que glycine, bétaïne ; quelques polyols, essentiellement sorbitol et inositol et quelques sucres tels que tréhalose ou glucose.

Le tréhalose de même que le sorbitol interviennent largement dans les adaptations cellulaires à la congélation ou la déshydratation chez les invertébrés alors que les quelques espèces de grenouilles supportant la congélation utiliseront largement le glucose (chapitre 10, 2.2.4). Le sorbitol ainsi que l'inositol et les composés aminés seront plus largement utilisés dans l'adaptation à des milieux hyperosmotiques. Les concentrations en ces composés peuvent devenir extrêmement importantes, largement supérieures à la molarité, en fonction de l'importance de l'augmentation d'osmolarité intervenant dans ces différentes conditions.

Tous ces composés interviennent comme stabilisants des structures macromoléculaires soumises aux augmentations, déstabilisantes, des concentrations en ions inorganiques induites dans le cadre des augmentations d'osmolarité. Ils peuvent donc "compenser" les effets négatifs des ions inorganiques sur l'activité de ces macromolécules (figure 1-89). Comme nous l'avons vu précédemment (cfr. 7.4.3), ils vont également "compenser" pour le déficit osmotique engendré dans les premières phases du processus de RVI par la diminution des ions inorganiques à des concentrations voisines des valeurs contrôles. Ces composés "compensateurs" sont également dits "compatibles" dans la mesure où, restant sans effet sur l'activité des macromolécules jusqu'à des concentrations très élevées, leur accumulation est "compatible" avec le maintien de l'activité de ces systèmes à leur niveau d'origine.

Le mode d'action des composés compensateurs comme stabilisants des macromolécules est loin d'être clair. Dans la conception actuelle basée essentiellement sur des études sur les protéines, on considère que leur exclusion préférentielle de l'eau vicinale de celles-ci favorise leur enroulement (figure 1-89) ; elles prennent dès lors une configuration plus stable. La chromatine nucléaire est également stabilisée par ces composés. On suppose dans ce cas qu'ils interviendraient d'abord au niveau des protéines histoniques. Différentes études indiquent cependant qu'ils pourraient également agir directement au niveau des enroulements d'acides nucléiques (ADN et ARN). La question centrale de savoir pourquoi ces composés, qui n'ont aucune similitude de structure ou de charge, seraient préférentiellement exclus de l'eau vicinale des macromolécules en général reste à l'heure actuelle sans la moindre réponse.

Figure 1-89

Figure 1-89 : Stabilisation des structures moléculaires et exclusion préférentielle des composés compensateurs de leur eau vicinale. L'équilibre entre état déstabilisé (protéine déroulée) et stabilisé (protéine enroulée) peut être modifié par l'addition de solutés organiques "compensateurs". Comme ils sont préférentiellement exclus de l'eau vicinale (en beige), ils induisent des zones à basse et à haute concentration. Une situation thermodynamiquement défavorable qui force la protéine à s'enrouler, diminuant ainsi sa surface et dès lors le volume duquel les composés compensateurs doivent être exclus. Dans ce système, les solutés stabilisants peuvent entrer en compétition avec des solutés déstabilisants tels que les ions inorganiques Na+ ou K+ qui, se fixant à la protéine ont tendance à favoriser son déroulement, normalisant ainsi ces interactions avec eux. Les effets stabilisants vont donc "compenser" pour les effets déstabilisants (voir par exemple Timasheff : Curr. Opin. Struct. Biol., 2, 35, 1992).

Un point qui peut être intéressant à remarquer ici est que certains de ces composés comme par exemple le tréhalose ou le sorbitol ne cristallisent pas et présentent en solution des comportements osmotiques et de viscosité particuliers. A partir de concentrations de l'ordre de molaire, l'osmolarité et la viscosité des solutions augmente non plus linéairement avec l'augmentation de concentration mais de façon quasi exponentielle. Une propriété particulièrement intéressante à considérer dans le cadre des phénomènes de déshydratation poussée dans lesquels les liquides internes (extra comme intracellulaires) pourraient prendre, par l'augmentation considérable de la concentration qu'ils induisent en ces solutés, des consistances pâteuses (rubbery or glassy water structures des anglo-saxons). Ces changements ralentiraient considérablement toutes les interactions et amèneraient les formes enkystées "anhydrobiontes" à l'état de vie latente que l'on a décrit chez elles. Les solutions de composés compensateurs de type aminé ne présentent pas ces caractéristiques particulières mais présentent par contre des effets protecteurs plus importants à plus basses concentrations. Ils ne sont d'ailleurs pas utilisés par les organismes atteignant des stades de déshydratation poussée. Ils forment par contre le groupe de composés les plus couramment utilisé lors des ajustements osmotiques (figure 1-90).

 
Figure 1-90
 
Figure 1-90 : Effets de différents solutés compensateurs sur la déstabilisation par le NaCl de la chromatine de noyaux de globules rouges de poulet (évolution semi-schématique regroupant différentes catégories de solutés. Ceux-ci présentent en fait de légères différences d'effets entre eux).

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