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Module de Biophysique Pr. Youssef Mir 2024/2025 Semestre 1 Université Ibnou Zohr Faculté de Médecine et de Pharmacie d’Agadir  Chapitre II : Biophysique du milieu intérieur Plan II.1. Biophysique de l...

Module de Biophysique Pr. Youssef Mir 2024/2025 Semestre 1 Université Ibnou Zohr Faculté de Médecine et de Pharmacie d’Agadir  Chapitre II : Biophysique du milieu intérieur Plan II.1. Biophysique de la circulation II.1.1. Écoulement d'un liquide idéal II.1.2. Écoulement d'un liquide réel II.2. Déplacements de la matière et phénomènes osmotiques II.2.1. Déplacements libres de la matière II.2.2. Déplacement sous l’action de forces extérieures II.2.3. Les phénomènes osmotiques II.3. Biophysique de l'équilibre acido-basique II.3.1. Équilibre acido-basique II.3.2. Diagramme de Davenport  Chapitre II.1 : Biophysique de la circulation Écoulement des fluides Écoulement d'un liquide idéal Un fluide est parfait s'il est possible de décrire son mouvement sans prendre en compte les effets de viscosité et de la conductivité thermique. L'énergie totale Et d’un fluide dépend de trois types d’énergie: Équation de Bernoulli (1) énergie de pesanteur ou potentielle qui est liée à la masse et à la hauteur (2) énergie cinétique (3) énergie de pression statique En terme de pression, l’équation de Bernoulli s'écrit: Chapitre II.1 : Biophysique de la circulation Écoulement des fluides Écoulement d'un liquide idéal Équation de Bernoulli Équation de Continuité et conservation de la masse: Q1 = (S1*v1) = Q2 = (S2*v2) La conservation de la matière impose que le débit d'un fluide dans un tuyau (ou du sang dans les veines) soit constant. Le fluide circule plus vite dans les parties où le tube est plus étroit.  Chapitre II.1 : Biophysique de la circulation Écoulement des fluides Écoulement d'un liquide idéal Conditions statiques: le fluide est immobile: v = 0 (Loi de Pascal) La loi de Pascal représente le principe fondamental de la statique des fluides. Le principe de Pascal dit que la pression est la même en tout point du liquide et cela aussi longtemps que ces points sont à la même profondeur. La pression à une hauteur donnée dans un récipient qui contient un liquide est indépendante de la forme du récipient. Écoulement continu vertical: v = cte  Chapitre II.1 : Biophysique de la circulation Écoulement des fluides Écoulement d'un liquide idéal Exemple: Variation de la Pression artérielle (PA) avec la position d'un patient debout Sachant que PA moyenne à la sortie du cœur = 13 kPa (à 1.30 m) ρsang = ρeau = 103 kg/m3, g = 9.81 m/s2 𝑑𝑃 = −𝜌𝑔𝑑𝑧 Si zéro = niveau du cœur La PA est égal à la PA cardiaque modifiée par la pression liée au poids de la colonne de sang correspondante.  Chapitre II.1 : Biophysique de la circulation Écoulement des fluides Écoulement d'un liquide idéal Écoulement horizontal: h  cte gh  cte Dans le régime avec écoulement (≠ statique) la pression dépend de l’orientation du capteur. (1) Pression latérale = P (2) Pression de sortie = (3) Pression d’entrée =  Chapitre II.1 : Biophysique de la circulation Écoulement des fluides Écoulement d'un liquide idéal Exemple: mesure de la pression artérielle en écoulement horizontal par cathétérisme La pression de sortie est plus facile à mesurer Ce qui est intéressant à mesurer dans le cathétérisme est la pression latérale. Calcul de l'erreur induite par la vitesse d'écoulement sur l'évaluation de la pression latérale: 1 𝑃𝑠𝑜𝑟𝑡𝑖𝑒 = 𝑃𝑙𝑎𝑡é𝑟𝑎𝑙𝑒 + 2 𝜌𝑣 2 𝑃𝑙𝑎𝑡é𝑟𝑎𝑙𝑒 = 13 kPa Au repos: v = 30 cm/s 1 2 1 𝜌𝑣 = × 103 × 0.32 = 45 𝑃𝑎 2 2 𝑃𝑠𝑜𝑟𝑡𝑖𝑒 − 𝑃𝑙𝑎𝑡é𝑟𝑎𝑙𝑒 𝑃𝑠𝑜𝑟𝑡𝑖𝑒 = 𝑃𝑙𝑎𝑡é𝑟𝑎𝑙𝑒 + 0.045 𝑘𝑃𝑎 = 13.045 𝑘𝑃𝑎 𝐸𝑟𝑟𝑒𝑢𝑟 = = 0.3 % 𝑃𝑙𝑎𝑡é𝑟𝑎𝑙𝑒 1 2 1 À l’effort: v = 1.2 m/s 𝜌𝑣 = × 103 × 1.22 = 720 𝑃𝑎 2 2 𝑃𝑠𝑜𝑟𝑡𝑖𝑒 − 𝑃𝑙𝑎𝑡é𝑟𝑎𝑙𝑒 𝑃𝑠𝑜𝑟𝑡𝑖𝑒 = 𝑃𝑙𝑎𝑡é𝑟𝑎𝑙𝑒 + 0.72 𝑘𝑃𝑎 = 13.72 𝑘𝑃𝑎 𝐸𝑟𝑟𝑒𝑢𝑟 = = 5.5 % 𝑃𝑙𝑎𝑡é𝑟𝑎𝑙𝑒  Chapitre II.1 : Biophysique de la circulation Écoulement des fluides Écoulement d'un liquide idéal Exemple: Effet de Venturi Conservation du débit entre (1) et (2): Z1 = Z2 L'équation de Bernoulli devient:  Chapitre II.1 : Biophysique de la circulation Écoulement des fluides Écoulement d'un liquide réel  Tout fluide réel est un fluide visqueux: η ≠ 0.  Lors de son mouvement, toute particule est soumise aux forces de frottement et (en régime turbulent) à la turbulence.  Pour vaincre ces forces, l'énergie cinétique est dissipée et transformée en énergie thermique traduite par une perte de charge. Equation de Bernoulli n’est plus vérifiée Dans le cas d’un liquide réel, il y a une perte de l’énergie utilisable, lors de l’écoulement, « perte de charge» liée à la dissipation d’énergie en chaleur du fait de la viscosité du liquide.  Chapitre II.1 : Biophysique de la circulation Écoulement des fluides Écoulement d'un liquide réel - Nature des fluides  Les fluides newtoniens: le coefficient de viscosité est constant, quel que soit le gradient de vitesse (Δυ/Δx) Exemple eau: quand on tourne une cuillère dans un bol, la résistance à l'avancement ne change pas si on change la vitesse de rotation.  Les fluides non newtoniens: la viscosité diminue lorsque le gradient de vitesse augmente. Exemple : le yogourt devient moins visqueux si on le bat rapidement (il se fluidifie). Le sang est un liquide non newtonien, alors que les liquides purs et les solutions micromoléculaires sont en général newtoniens.  Chapitre II.1 : Biophysique de la circulation Écoulement des fluides Écoulement d'un liquide réel - Nature des écoulements Écoulement laminaire: Dans ce cas toutes les particules se déplacent dans une direction parallèle au sens général de l'écoulement, ce qui veut dire que tous les vecteurs vitesse individuels sont parallèles entre eux et parallèles au vecteur vitesse moyen. Écoulement turbulent: Les vecteurs vitesse prennent toutes les directions, ce qui se traduit par l'apparition de tourbillons, mais la résultante de ces vitesses reste malgré tout dirigée dans le sens global de l'écoulement.  Chapitre II.1 : Biophysique de la circulation Écoulement des fluides Écoulement d'un liquide réel - Nombre de Reynolds Le rapport entre forces d’inertie et la force visqueuse est représenté en ordre de grandeur par le nombre de Reynolds (R). Vm = la vitesse moyenne d = le diamètre du tube ρ = la masse volumique du liquide η = la viscosité du liquide Si R < 2400, le régime est laminaire Si R > 3000, le régime est turbulent Si 2400 < R < 3000, le régime est instable (intermittent) Vitesse critique, en dessous de laquelle le régime est laminaire et au-dessus de laquelle il aura tendance à devenir instable, avec une possibilité de devenir turbulent:  Chapitre II.1 : Biophysique de la circulation Écoulement des fluides Écoulement d'un liquide réel - Nombre de Reynolds La valve aortique est l'une des quatre principales valves du cœur. Elle sépare le ventricule gauche de l'aorte. Exercice: Quels sont les régimes d'écoulement au niveau d'une valve aortique dans les 2 situations suivantes : 1 : d = 20 mm et vitesse d'éjection v = 0.4 m.s-1 2 : d = 15 mm et vitesse d'éjection v = 4 m.s-1  = 4.10-3 kg.m-1.s-1 et  = 103 kg m-3 R < 2400 : écoulement laminaire R > 3000 : écoulement turbulent 1- R = (103 x 20.10-3 x 0.4) / 4.10-3 = 2.103 = 2000  laminaire 2- R = (103 x 15.10-3 x 4) / 4.10-3 = 15.103 = 15000  turbulent  Chapitre II.1 : Biophysique de la circulation Écoulement des fluides Écoulement d'un liquide réel - Loi de Poiseuille Dans un liquide visqueux, il existe une perte de charge le long de la canalisation qui exprime la baisse de pression ΔP par unité de longueur l parcourue par le fluide dans un plan horizontal. La loi de poiseuille donne le débit Q en fonction de la perte de charge ΔP/l et de la puissance 4 du rayon et inversement en fonction de la viscosité η. Cette équation est valable tant que le nombre de Reynolds de l'écoulement reste modéré (régime laminaire).  Chapitre II.1 : Biophysique de la circulation Écoulement des fluides Écoulement d'un liquide réel - Loi de Poiseuille Conséquences physiologiques de la loi de Poiseuille: La loi de poiseuille est souvent appliquée aux écoulements de sang dans les vaisseaux. Le débit dans un vaisseau sanguin est dépendant: - du gradient de pression aux extrémités du vaisseau - du rayon et de la longueur du vaisseau - de 1/ la viscosité sanguine Par analogie avec la loi d'Ohm: U=RI reliant une différence de potentiel U à une intensité de courant I passant dans une résistance R, la loi de Poiseuille peut s’écrire: La résistance R (résistance à l’écoulement: (Pa·s·m-3): R dépend des caractéristiques géométriques du contenant (du vaisseau) et d'un terme qui dépend des caractéristiques physiques du contenu: la viscosité.  Chapitre II.1 : Biophysique de la circulation Écoulement des fluides Écoulement d'un liquide réel - Loi de Poiseuille Conséquences physiologiques de la loi de Poiseuille: La résistance vasculaire à l'écoulement est très fortement modifiée par des variations du calibre des vaisseaux (car le rayon intervient à la puissance quatrième). Les diminutions ou les augmentations du calibre des vaisseaux (vasoconstriction (diminution) ou vasodilatation (augmentation)), même si elles sont d'amplitude modérée, pourront réguler de façon importante le débit de sang arrivant à un organe. vasodilatation vasoconstriction  Chapitre II.1 : Biophysique de la circulation Écoulement des fluides Écoulement d'un liquide réel - Loi de Poiseuille Conséquences physiologiques de la loi de Poiseuille: Processus d’adaptation:  En réponse à une baisse de température, le corps rétrécit les vaisseaux sanguins proches de la peau (processus de vasoconstriction). Ceci maintient le corps chaud en baissant le flux sanguin périphérique.  Si la température est au-dessous du point de congélation, le corps dilate les vaisseaux sanguins périphériques (vasodilatation). Ceci augmente le flux de sang chaud vers la peau pour éviter la gelure. vasodilatation vasoconstriction  Chapitre II.1 : Biophysique de la circulation Écoulement des fluides Écoulement d'un liquide réel - Loi de Poiseuille Conséquences physiologiques de la loi de Poiseuille: Une augmentation de la viscosité du sang (présente dans certaines pathologies) pourra quant à elle avoir des conséquences délétères sur la viabilité de certains organes, car elle pourra induire une réduction des débits qui les perfusent. Agrégation des plaquettes Atteinte à la vasomotricité Les vaisseaux enregistrent une diminution de leur capacité à se dilater normalement  Chapitre II.1 : Biophysique de la circulation Écoulement des fluides Écoulement d'un liquide réel - Loi de Poiseuille Écoulement en bifurcation 1- Bifurcation en série Résistance vasculaire 𝑅1 = 𝑅2 + 𝑅3 1 2 3 Débit sanguin 𝑄1 = 𝑄2 = 𝑄3 2- Bifurcation en parallèle 2 1 1 1 Résistance vasculaire = + 1 𝑅1 𝑅2 𝑅3 3 Débit sanguin 𝑄1 = 𝑄2 + 𝑄3 Chapitre II.2 : Déplacements de la matière et phénomènes osmotiques Déplacements libres de la matière Écoulement d'un liquide réel - Viscosité La viscosité est la résistance à un écoulement uniforme et sans turbulence se produisant dans la masse d'une matière. Elle se manifeste chaque fois que les couches voisines d’un même fluide sont en mouvement relatif, c’est-à-dire lorsqu’il s’établit un gradient de vitesse. S : surface commune aux 2 lames Δυ/ Δx : Gradient de vitesse (taux de cisaillement) Fluide Viscosité (mPa.s) η : viscosité (constante caractéristique du liquide) Eau 1.005 Essence 0.652 Éthanol 1.2 SI: Poiseuille (kg/m.s) ou Pa.s Glycérine 1490 CGS: Poise; 1 Poiseuille = 10 Poises Huile d'olive 84 Lait 2 La viscosité décroît rapidement en fonction de la Mercure 1.554 température Miel liquide 6000 Sérum 1.1 - 1.3 Chapitre II.2 : Déplacements de la matière et phénomènes osmotiques Déplacements libres de la matière Mouvement de convection Le mouvement de convection est dû à un gradient de pression Les transports dans les canalisations: mouvement des solutés conduits par le débit d’eau plasmatique sous l’action d’une force (gravité ou différence de pression) Force d’inertie (différence de pression) Forces visqueuses, frottements entre le fluide et la paroi. L’écoulement du sang dans les vaisseaux est régi par la loi de Poiseuille. Chapitre II.2 : Déplacements de la matière et phénomènes osmotiques Déplacements libres de la matière Mouvement de convection Le mouvement de convection est dû à un gradient de pression Le transport dans les tissus: mouvement des solutés à travers la membrane semi-perméable sous l’action d’un gradient de pression transmembranaire. La circulation dans le tissu est régie par la loi de Darcy K = constante de perméabilité (m2) η = viscosité du liquide (Pa.s) S = section des pores (m2) ΔP = différence de pression (Pa) l = longueur des pores (m) Viscosité × épaisseur du tissu Perméabilité Chapitre II.2 : Déplacements de la matière et phénomènes osmotiques Déplacements libres de la matière Diffusion dans les fluides  Un fluide diffuse toujours d’une zone de pression partielle/concentration élevée vers une zone de pression partielle/concentration plus basse jusqu’à ce qu’un équilibre soit atteint.  Dans un mélange de fluide, chaque fluide se comporte de façon indépendante Fluide 1 Fluide 2 Chapitre II.2 : Déplacements de la matière et phénomènes osmotiques Déplacements libres de la matière Principes de la diffusion Diffusion du gaz/liquide proportionnelle – aux caractéristiques de la membrane Liquide x – aux caractéristiques du gaz/liquide – au gradient de pression/concentration – au temps de contact entre le gaz/liquide et la membrane – à la solubilité du gaz/liquide À travers un tissu – à la surface S du tissu – à l’inverse de l’épaisseur e du tissu Liquide x – au gradient de pression/concentration de part et d'autre du tissu – au temps de contact (dt) – à la constante de diffusion du gaz/liquide C1 C2 Chapitre II.2 : Déplacements de la matière et phénomènes osmotiques Déplacements libres de la matière Diffusion dans les fluides – la loi de Fick La loi de Fick décrit le taux de transfert de molécules à travers les membranes. Bicouche lipidique dont la surface offerte à la diffusion est A (cm2) Les membranes cellulaires sont perméables aux fluides dont le transfert Flux transmembranaire s'effectue par diffusion ΔC = C1 – C2 C2 C1 passive depuis le compartiment où leur (moles/l) concentration (ou pression partielle) est plus élevée vers celui où elle est plus faible. Substance C en solution Δx (cm) D: Coefficient de diffusion (cm2/sec) qui dépend de la solubilité et de la température (-) Indique que le flux est dirigé vers le compartiment où la concentration est la plus faible ΔC : Gradient de concentration (moles/cm3) A: Surface offerte à la diffusion (cm2) Δx : Épaisseur de la membrane (cm) Chapitre II.2 : Déplacements de la matière et phénomènes osmotiques Déplacements sous forces extérieures Différence de potentiel électrique (ddp) Le potentiel d'équilibre d'un ion est la différence de potentiel qu'il faudrait appliquer de part et d'autre de la membrane pour que le gradient électrique de cet ion s'oppose très exactement en direction, en sens et en amplitude à son gradient de concentration. Autrement dit, au potentiel d'équilibre d'un ion donné, le flux net est nul. Ce potentiel d'équilibre (Eion) peut être calculé en utilisant l'équation de Nernst: R: Constante des gaz parfaits T: Température absolue 𝑅×𝑇 𝑖𝑜𝑛 𝑒 𝐸𝑖𝑜𝑛 = 𝑙𝑛 Z: Valence de l’ion 𝑍×𝐹 𝑖𝑜𝑛 𝑖 F: Constante de Faraday (F = 96500 coulombs/mol) Si [ion]e = [ion]i alors le flux net de cet ion est nul Si [ion]e ≠ [ion]i , il existe alors un flux de sens et d'amplitude tel qu'il permettrait au potentiel de membrane, s'il était libre de varier, de tendre vers la valeur du potentiel d'équilibre de cet ion. Chapitre II.2 : Déplacements de la matière et phénomènes osmotiques Phénomènes osmotiques Osmose L'osmose est le passage de molécules de solvant, en général de l'eau, à travers une membrane semi-perméable, depuis le milieu le moins concentré (hypotonique) vers celui le plus concentré (hypertonique). Ce passage s'arrête lorsque les deux liquides séparés par la membrane ont atteint la même concentration (milieux isotoniques). π : pression osmotique V : volume du solvant n : le nombre de moles, ou d'osmoles si le soluté est dissocié. Cosm désigne les particules qui ne peuvent pas traverser la membrane. Chapitre II.2 : Déplacements de la matière et phénomènes osmotiques Phénomènes osmotiques Osmolarité L'osmolarité est définie comme le nombre de particules osmotiquement actives par litre de solution, c'est-à-dire, plus exactement, le nombre de moles en solution qui interviennent dans la pression osmotique s'exerçant sur une membrane lorsque le phénomène d’osmose se produit. Par exemple: Une solution à 1 mol/l de NaCl correspond à une osmolarité de 2 osmol/l Une solution à 1 mol/l de CaCl2 correspond à une osmolarité de 3 osmol/l Une solution de 1 mol/l de glucose correspond à une osmole/l 𝐶𝑜𝑠𝑚 = 𝐶𝑚𝑜𝑙𝑎𝑖𝑟𝑒 1 + 𝛼 𝑛 − 1 b = Molarité (mol/l) α = Coefficient de dissociation qui varie entre 0 et 1 α = 1 quand la dissociation est complète n = Nombre de particules Chapitre II.2 : Déplacements de la matière et phénomènes osmotiques Osmolarité Osmose et tonicité (osmolarité efficace) dans les liquides corporels  Gonflement des globules  Équilibre osmotique  Diminution du volume rouges qui deviennent sphériques  Le flux net de solvant à des hématies (plasmolyse)  Éclatement (hémolyse) des travers la membrane est nul. et modification de la forme globules rouges. Chapitre II.2 : Déplacements de la matière et phénomènes osmotiques Phénomènes osmotiques Osmolarité a) Particules osmotiquement active : Ne diffusent pas librement entre les différents secteurs liquidiens de l'organisme. Les concentrations molaires entre les compartiments intra- et extracellulaires ne sont pas égales (glucoses, ions, solutés exogènes en cas de perfusion...). b) Particules osmotiquement inactive : Comme l'eau, ces particules diffusent librement entre les différents secteurs liquidiens de l'organisme. À tout instant il y a une égalité de concentration entre les compartiments intra- et extracellulaires. L'urée est le seul soluté quantitativement important, mais non osmotiquement active. Chapitre II.2 : Déplacements de la matière et phénomènes osmotiques Abaissement cryoscopique La cryoscopie est l'étude du point de congélation des solutions. Elle permet de déterminer la masse molaire d’un soluté dans la solution grâce à l’abaissement du point de fusion du mélange, c'est-à-dire la température où coexistent les états solide et liquide d’un corps.  Eau pure à 0°C : solidification = liquéfaction → équilibre GLACE EAU  Eau salée à 0°C: solidification < liquéfaction → la glace fond GLACE EAU Conclusion : l’eau salée gèle au-dessous de 0°C. Chapitre II.2 : Déplacements de la matière et phénomènes osmotiques Phénomènes osmotiques Abaissement cryoscopique L'abaissement cryoscopique est l'abaissement du point de congélation du solvant. Le point de congélation d’un solvant est proportionnel au nombre de moles de soluté qu’il contient. La loi de Raoult s'écrit: ∆𝜃 = −𝐾𝑐 × 𝐶𝑜𝑠𝑚 Kc = Constante cryoscopique du solvant en K osmol-1 l Pour l’eau Kc = 1.86 K osmol-1 l Cs = Concentration cryoscopique du soluté en osmol/l Exercice: Combien de grammes de NaCl (M = 58.4 g/mol). doit-on dissoudre dans un litre d'eau distillée pour préparer un collyre sachant que la température de solidification du liquide lacrymal est de -0.89 °C ? Même question avec le sulfate de sodium Na2SO4 complètement dissocié (M = 142 g/mol). Chapitre II.2 : Déplacements de la matière et phénomènes osmotiques Les liquides corporels Compartiment liquidien = compartiments de dimension variables séparés par des membranes lipidiques Chapitre II.2 : Déplacements de la matière et phénomènes osmotiques Contenu corporel en eau (principal solvant de tous les liquides corporels) % poids Tranche d’âge corporel 0 à 6 mois 75 6 mois à 12 ans 60 Homme 59 12 à 18 ans Femme 56 Homme 59 19 à 50 ans Femme 50 Homme 56 + de 50 ans Femme 47 Faible masse graisseuse et - Le tissu adipeux est le moins hydraté (20 % d’eau). osseuse - L’os contient plus d’eau que la graisse. - Le muscle contient 65 % d’eau Nourrisson Chapitre II.2 : Déplacements de la matière et phénomènes osmotiques Compartiments liquidiens corporels Masse sèche 40% Liquide intracellulaire 40% LIC = 28 litres (2/3) Plasma 1/4 du Liquide interstitiel LEC 5% 3/4 du LEC 15% LEC = 14 litres (1/3) La lymphe, le liquide cérébrospinal, humeur aqueuse de l’œil, les sécrétions Eau corporelle totale (60%) = 42 litres gastro-intestinales, etc.. chez un homme adulte de 70 kg Chapitre II.2 : Déplacements de la matière et phénomènes osmotiques Échanges liquidiens entre le plasma et l’extérieur Équilibre externe L’équilibre externe représente la différence entre l’entrée et l’excrétion d’une substance de l’organisme. Le tube digestif et la principale voie d’entrée naturelle des substances alors que plusieurs voies de sortie sont possibles (tube digestif, les poumons, la peau et les reins). Toutefois seuls les reins ont la possibilité de maintenir l’équilibre entre les entrées et les sorties et donc de préserver la stabilité du milieu intérieur. Chapitre II.2 : Déplacements de la matière et phénomènes osmotiques Mesure des volumes corporels On ne peut pas mesurer directement le volume de chacun de ces compartiments liquidiens. Mesure indirecte par la dilution d’une quantité connue d’un marqueur qui se distribue uniformément, uniquement et entièrement dans le compartiment que l’on veut mesurer. Quantité du marqueur administrée Volume du compartiment = Concentration du marqueur mesurée à l’équilibre Le marqueur doit avoir les propriétés suivantes : – Distribution homogène dans le compartiment d’intérêt – Pas de diffusion dans les autres compartiments – Pas de métabolisme ou de synthèse – Pas de toxicité Chapitre II.2 : Déplacements de la matière et phénomènes osmotiques Mesure des volumes corporels Marqueurs non Marqueurs Compartiments isotopiques isotopiques (spectrophotométrie) (Compteur à scintillation) Eau corporelle totale Ethanol Eau tritiée 3H2O ECT Urée Mesurés Liquide extracellulaire Inuline Sodium24 LEC Manitol Chlore36 Bleu Evans Albumine marquée I125 Liquide plasmatique (se fixe à l’albumine ou I131 plasmatique) Calculés Liquide intracellulaire = ECT – LEC Liquide interstitiel = LEC – liquide plasmatique Chapitre II.2 : Déplacements de la matière et phénomènes osmotiques Mesure du volume sanguin total L'hématocrite est le pourcentage relatif du volume des cellules circulant dans le sang par rapport au volume total du sang Volume des globules rouges Hématocrite (Ht) = × 100 Volume sanguin total Volume plasmatique ~ 3 L Valeurs moyennes: Ht: 40% Volume sanguin total ~ 5 L Volume plasmatique Volume sanguin total = 1 - Ht  Chapitre II.3 : Biophysique de l’équilibre acido-basique Équilibre acido-basique Notion de pH (potentiel Hydrogène) - Un acide est une substance qui libère des H+ (ou donneur de protons) AH → A- + H+ - Une base est une substance qui absorbe des ions H+ (ou accepteur de protons) BOH → B+ + OH- AH ↔ A- + H+ BOH ↔ B+ + OH- On caractérise l'acidité ou la basicité d'une solution par son pH Chapitre II.3 : Biophysique de l’équilibre acido-basique Équilibre acido-basique Notion de pH (potentiel Hydrogène) Sang Acide (7.35 – 7.45) Alcalin pH de quelques fluides de l’organisme:  pH des sécrétions gastriques ~ 1  pH urinaire = 4.5 - 8.5  Chapitre II.3 : Biophysique de l’équilibre acido-basique Équilibre acido-basique Systèmes tampons Un tampon est un système permettant de freiner les variations de pH qui résulte d’une augmentation de la concentration d’ions H+ dans une solution ou dans un milieu liquide. L’unité du pouvoir tampon est mol/l Intérêt des solutions tampons Les protéines sont influencées par la concentration en ions H+. Par conséquent toutes les réactions chimiques seront elles-mêmes influencées par le pH local. Système tampon dans les liquides extracellulaires : le système acide carbonique (H2CO3)/bicarbonate (HCO3-). Système tampon dans les liquides intracellulaires : les protéines et les phosphates  Chapitre II.3 : Biophysique de l’équilibre acido-basique Équilibre acido-basique Système tampon Le tampon n’empêche pas le changement de pH mais il en limite l’amplitude. Le principal tampon du sang et du liquide interstitiel est le système CO2 selon l’équation : CO2 + H2O ↔ H2CO3 ↔ H+ + HCO3- Exemples : Si le CO2 augmente, [H+] augmente et donc le pH diminue Si [HCO3-] augmente, il fait diminuer [H+] en s’y liant et donc le pH augmente L'équilibre acido-basique de l'organisme est réglé par les reins, les poumons et par des substances chimiques protéiques appelées tampons. Dès que le pH d'une solution change, les tampons libèrent des ions qui se lient aux éléments de la solution pour les neutraliser.  Chapitre II.3 : Biophysique de l’équilibre acido-basique Équilibre acido-basique Les ampholytes Les ampholytes ou amphotères sont des corps qui possèdent à la fois une fonction acide et une fonction basique. L'eau se comporte comme un acide : H2O(l) → H+ + OH-(aq) et comme une base : H2O(l) + H+ → H3O+(aq) On écrit donc : 2 H2O(l) ↔ H3O+(aq) + OH-(aq) Ke = produit ionique de l'eau = [H3O+]eq[HO-]eq = 10-14 Relation d'Henderson-Hasselbach AH ↔ A- + H+ Pour CO2 + H2O ↔ H2CO3 ↔ H+ + HCO3- pKa vaut 6.1 à 37 °C  Chapitre II.3 : Biophysique de l’équilibre acido-basique Équilibre acido-basique Les néphrons sont des unités microscopiques qui, en filtrant le sang, L. Aimee Hechanova , Texas Tech produisent l'urine. Chaque rein contient environ 106 néphrons University Health Sciences Center, El Paso La fonction des reins est de filtrer et de nettoyer le sang. Ils maintiennent en outre l’équilibre dans l’organisme de l’eau, des électrolytes (tels que Na+, K+, HCO3-, Cl-) et des nutriments dans le sang. Chapitre II.3 : Biophysique de l’équilibre acido-basique Équilibre acido-basique pH et concentration H+ pH [H+] (nmo/l) 6.8 160 -0.3 7.1 80 ×2 7.4 40 7.7 20 Henderson-Hasselbach = équation donnant le pH d’un système tamponné Les reins régulent la concentration de HCO3- Les poumons régulent la pCO2  Chapitre II.3 : Biophysique de l’équilibre acido-basique Équilibre acido-basique Équation d’Henderson-Hasselbach [HCO3-] est affectée par: 1- ingestion d’acides ou de bases; 2- production élevée d’acides ou de bases; 3- perte de base dans l’urée; 4- diminution d’excrétion d’acides. Régulation via les reins Constante de dissociation Équation utilisée pour mesurer le pH du plasma pH physiologique Constante de [HCO3-] = 24 mmol/l solubilité de CO2 pCO2 = 40 mmHg Régulation via les systèmes respiratoire pCO2 est affectée par: 1- changement de production d’acides volatils; 2- ventilation pulmonaire; 3- composition de l’air inspiré.  Chapitre II.3 : Biophysique de l’équilibre acido-basique Régulation de l’équilibre acido-basique Lorsque survient un déséquilibre acido- basique, des mécanismes de compensation se mettent en branle pour tenter de rétablir l'équilibre. Les compensations sont plus ou moins rapides.  La compensation respiratoire est en général assez rapide à s'installer.  Par contre, la compensation métabolique (rénale) est lente et peut prendre quelques jours. 1- Rôle du poumon 2- Rôle du rein  Seconde ligne de défense = action rapide  Troisième ligne de défense =  Excrétion du CO2 = par le métabolisme action plus lente cellulaire  Réabsorbe les HCO3- filtrés  Réaction à l’acidose par une hyperventilation  Sécrète la charge acide produite alvéolaire = diminution de pCO2 quotidiennement  Chapitre II.3 : Biophysique de l’équilibre acido-basique Régulation de l’équilibre acido-basique Valeurs normales 7.40 (+/- 0.02) pH Si < à 7.38, on parle d’acidose Si > à 7.42, on parle d’alcalose pCO2 5.3(+/- 0.5) kPa ou 40 (+/- 4) mmHg pO2 11 kPa ou 85 (+/- 5) mmHg Bicarbonate (HCO3-) 24 (+/- 2) mmol/l Saturation O2 95 à 98% (taux d'oxygène contenu dans les GR) Hypoxie : ↓ pO2 dans le sang. Manque d’O2 au niveau cellulaire Hypercapnie :↑ pCO2 dans le sang, mauvaise élimination du CO2 au niveau des poumons.  Chapitre II.3 : Biophysique de l’équilibre acido-basique Régulation de l’équilibre acido-basique Types de trouble primaire acido-basique pCO2 HCO3- Troubles pH Compensation (mmHg) (mmol/l) primaire Acidose < 38 < 7.38 < 22 métabolique Alcalose > 42 > 7.42 > 26 métabolique Acidose > 42 < 7.38 > 26 respiratoire Alcalose < 38 > 7.42 < 22 respiratoire  Chapitre II.3 : Biophysique de l’équilibre acido-basique Équilibre acido-basique Diagramme de Davenport Diagramme utilisable pour toute solution contenant le tampon HCO3- / CO2 Le point N (pH normal et bicarbonate normal) représente l'équilibre acido-basique normal. Tous les autres points correspondent à un trouble de l'équilibre acido- basique. Normal Pour se déplacer sur ce diagramme, - il faut faire varier la concentration Acidose Alcalose [HCO3-] - des acides fixes et/ou volatils. mmol/l N 24 + Représentation graphique de la relation d'Henderson-Hasselbach. pH 7.38 - 7.42 Chapitre II.3 : Biophysique de l’équilibre acido-basique Équilibre acido-basique Diagramme de Davenport Chapitre II.3 : Biophysique de l’équilibre acido-basique Équilibre acido-basique Diagramme de Davenport Droites arbitraires Chapitre II.3 : Biophysique de l’équilibre acido-basique Équilibre acido-basique Diagramme de Davenport Courbes de Davenport pour les troubles métaboliques et respiratoires Chapitre II.3 : Biophysique de l’équilibre acido-basique Équilibre acido-basique [HCO3-] (mmol/L) P(CO2) = 40 mmHg Alcalose mixte Acidose mixte Chapitre II.3 : Biophysique de l’équilibre acido-basique Équilibre acido-basique