Néphrophysiologie - Les liquides corporels - PDF

UE 2 – Physiologie rénale P.GUEIRARD Néphrophysiologie - Les liquides corporels - P. GUEIRARD Les schémas sont issus du cours du Pr P. GUEIRARD I- Les liquides corporels et l’homéostasie : rôle des reins Les reins assu...

UE 2 – Physiologie rénale P.GUEIRARD Néphrophysiologie - Les liquides corporels - P. GUEIRARD Les schémas sont issus du cours du Pr P. GUEIRARD I- Les liquides corporels et l’homéostasie : rôle des reins Les reins assurent 3 grandes fonctions : - élimination et excrétion des produits de dégradation du métabolisme cellulaire et des substances étrangères à l’organisme - endocrine - maintien de la composition du milieu intérieur (= homéostasie) pour l’eau et les électrolytes Ce sont les organes effecteurs les plus importants dans la régulation des liquides corporels. A) Les liquides corporels Les liquides corporels sont essentiellement des solutions aqueuses, contenants des solutés dissociés ou non. Des compartiments, délimités par une membrane biologique, de tailles variables, contiennent ces solutions. Les membranes de ces compartiments contiennent majoritairement des lipides, ce qui les rend imperméable au passage de l’eau et des solutés entre les différents compartiments. L’eau est le principal constituant du corps humain/ Elle est retrouvée dans l’ensemble du corps et des organes, à l’intérieur des cellules et entre celles -ci. La majorité des solutés et des particules sont dissociés en ion, chargés électriquement (c’est pourquoi on les appelle des « électrolytes »). Ces particules chargées peuvent être des : - Cations (chargés positivement) : sodium (Na+), potassium (K+), calcium (Ca2+), magnésium (Mg2+), et les protons (H+). - Anions (une ou plusieurs charges négatives) : chlore (Cl-), bicarbonate (HCO3-), protéines , sulfate (SO42-), phosphate (PO43-), et divers anions organiques (lactate, citrate, urate). Au contraire les solutés non dissociés et dépourvus de charge (comme le glucose et l’urée) représentent une petite fraction des particules dissoutes dans les liquides corporels. B) L’eau L’eau corporelle totale représente environ 60% du corps humain chez les hommes, et environ 50% chez la femme. Environ 80% de cette eau corporelle est répartie au niveau musculaire, et au moins 10% se retrouve au niveau du tissus adipeux. Chez le nouveau-né et le nourrisson, l’eau corporelle totale représente environ 75% du poids total. Les 40% restant de la masse corporelle qui ne sont pas composés d’eau sont appelés « masse sèche ». Cours rédigé par Terry SHAPE, Camille DUMAS, et Clara GAZAGNAIRE page 1 sur 20 UE 2 – Physiologie rénale P.GUEIRARD C) Les compartiments liquidiens L’eau est répartie dans le corps entre deux principaux compartiments : - Intra-cellulaire (= CIC) - Extra-cellulaire (= CEC) 1) Le compartiment intra-cellulaire (= CIC) Le CIC est le compartiment le plus important (2/3 de la masse hydrique). C’est le cytoplasme. 2) Le compartiment extra-cellulaire (= CEC) Chaque cellule est séparée des autres cellules par le liquide interstitiel. Le CEC représente environ 1/3 de la masse hydrique. La membrane des vaisseaux sanguins (capillaires) le divise entre deux autres compartiments : - Le liquide interstitiel : environnement interne, aussi appelé « milieu intérieur ». C’est l’space situé entre la membrane de la paroi capillaire et la membrane des cellules. - Le liquide plasmatique / plasma : le compartiment intra-vasculaire contenant le liquide plasmatique représente environ 5% du poids corporels. Le liquide plasmatique / plasma et le liquide interstitiel présentent une composition électrolytique similaire. Les ions les plus nombreux sont le sodium et le chlorure. D’autres compartiments contiennent de l’eau : la lymphe, le liquide du globe oculaire, le LCS... Ces compartiments représentent un volume d’eau tellement faible, et qu’ils sont considérés comme appartenant au du liquide interstitiel. Ces différents compartiments sont entourés de membrane semi-perméable. La paroi capillaire et la membrane cellulaire sont tous les deux perméables à l’eau et aux substances dissoutes, et imperméables aux protéines. D) Les volumes des compartiments liquidiens Voici la répartition de l’eau corporelle totale dans les trois compartiments : Cours rédigé par Terry SHAPE, Camille DUMAS, et Clara GAZAGNAIRE page 2 sur 20 UE 2 – Physiologie rénale P.GUEIRARD L’eau corporelle totale chez un adulte de 70kg représente 60% du poids corporel total, soit 42L, contre 40% de masse sèche. Le liquide intra-cellulaire (= LIC) représente les 2/3 de l’eau corporelle totale, soit 40% du poids corporels donc 28L. Le LEC (plasma + interstitiel) représente 1/3 de l’eau corporelle totale, soit 14L : - Le liquide interstitiel représente les ¾ du volume extra-cellulaire, donc 15% du poids corporel totale, soit 10.5L - Le plasma représente 5% du poids corporel total, doit 3.5 L. E) Limites physiologiques compatibles avec le fonctionnement cellulaire Le fonctionnement normal et la survie des cellules de notre organisme nécessite deux fonctions : - Production d’énergie : ATP produit dans la mitochondrie. Au cours de la respiration cellulaire, de l’O2 est utilisé et du CO2 est produit (= déchet de l’organisme). D’autres déchets azotés sont également produits (ammoniac, créatinine, urée, acide urique…). Tous ces déchets vont devoir être éliminés de nos liquides corporels pour éviter une toxicité → rôle du rein - Maintien à l’équilibre du volume et des compositions électrolytique et ionique du LEC et du LIC. Voici les concentrations extra-cellulaires de quelques ions : o [Na+] = 140 mEq/L o [K+] = 4-5 mEq/L o [H+] = 4.10-5 mEq/L o pH = 7.40 Les concentrations précédentes de chacun de ces électrolytes dans le LIC et le LEC doivent absolument être maintenues pour un bon fonctionnement de l’organisme (sinon ça dérègle tout). F) Rôle essentiel des reins Les reins sont les organes effecteurs les plus importants dans la régulation des liquides corporels. Ils assurent une fonction : - De maintien de l’équilibre hydro-électrolytique (homéostasie) - De régulation de l’équilibre acido-basique (= pH) - D’épuration, pour l’élimination des déchets, et l’excrétion des produits de dégradation de notre métabolisme cellulaire, mais également pour les substances étrangères à notre organisme 1) Maintien de l’équilibre hydro-électrolytique Les reins jouent un rôle primordial dans le maintien (en respectant les limites physiologiques) du volume du LEC, et du volume normal des cellules, de façon à assurer une stabilité du volume et de la composition du LEC (essentiel au fonctionnement cellulaire). Le rein ajuste les sorties (→ urines) en fonction des variations quotidiennes des entrées d’eau et des électrolytes. Ils ajustent en permanence le contenu en eau et électrolytes dans les différents compartiments. Les électrolytes les plus importants sont le sodium, le potassium, le calcium et le magnésium. Si leurs concentrations ne sont pas maintenues de façon physiologique, cela peut avoir de graves conséquences sur notre organisme. Cours rédigé par Terry SHAPE, Camille DUMAS, et Clara GAZAGNAIRE page 3 sur 20 UE 2 – Physiologie rénale P.GUEIRARD Exemple : hyperkaliémie sévère : [K+] > 6 mEq/L engendre un risque important d’arythmie cardiaque, pouvant aller jusqu’à l’arrêt cardiaque. 2) Régulation de l’équilibre acido-basique Les reins permettent la régulation de l’équilibre acido-basique, et donc de maintenir un pH constant au sein d’un même compartiment. Le pH plasmatique se maintient entre 7.38 à 7.42 (7.40 ± 0.02). Cette fonction est assurée par le rein en complémentarité des poumons. On reçoit une charge acide quotidienne de 60 à 80 mM d’H + par jour, venant des protides par l’alimentation. Ces ions sont tamponnés par les bicarbonates (HCO3-). En excrétant la charge acide tamponnée, le rein régénère les bicarbonates consommés, et maintient une concentration plasmatique des ions bicarbonates aux alentours de 24 mM. 3) Fonction d’épuration Les reins ont une fonction essentielle d’épuration, donc d’élimination de molécules, et de déchets. Ils permettent l’excrétion des produits de dégradation du métabolisme cellulaire : - L’urée est le déchet des protéines - L’acide urique est le déchet des acides nucléiques des cellules - La créatinine est le déchet du métabolisme musculaire Cours rédigé par Terry SHAPE, Camille DUMAS, et Clara GAZAGNAIRE page 4 sur 20 UE 2 – Physiologie rénale P.GUEIRARD Ils peuvent également éliminer des hormones et des substances étrangères à l’organisme (appelées « xénobiotiques ») tels que : - les médicaments : antibiotiques - les polluants : pesticides - les additifs alimentaires II- Composition ionique des liquides corporels Cette partie aborde les aspects statiques des liquides corporels avec l’étude de leur composition ionique. Les électrolytes représentent environ 95% des solutés qui sont présents dans les liquides corporels, seulement 5% des solutés ne sont pas des électrolytes. Dans le liquide extra-cellulaire (= LEC), les ions prédominants sont les ions sodium et chlorure, par contre dans le liquide intra-cellulaire (= LIC) ce sont les ions potassium et phosphate. Du fait de la présence, entre ces compartiments, de 2 membranes semi perméables que sont la membrane cellulaire et la paroi capillaire, la composition ionique de ces 2 compartiments (LIC et LEC) va varier. NB : le liquide intra-cellulaire correspond cytoplasme, alors que le liquide extra-cellulaire correspond aux com- partiments interstitiel (le liquide qu’il y a entre nos cellules), au secteur plasmatique (la partie liquide du sang), et à toutes les sécrétions cellulaires (liquide gastrique, liquide cérébro-spinal…). A) Unités de mesures décrivant la concentration des solutés 1) Molarité, exprimée en moles/L (= mol/L) Une mole correspond au poids moléculaire en grammes de la substance ionisée ou non. Exemple : pour une mole de Chlorure de sodium (NaCl) : PM = 23g (Na) + 35,5g (Cl)= 58,5g/L Cours rédigé par Terry SHAPE, Camille DUMAS, et Clara GAZAGNAIRE page 5 sur 20 UE 2 – Physiologie rénale P.GUEIRARD 2) Equivalents, correspondent aux charges électriques des ions ou électrolytes Exemple : Pour le NaCL= 1eq (Na) + 1eq(Cl) =2 Eq/L Un équivalent d’un électrolyte univalent est égal à son poids atomique/moléculaire en grammes. Ainsi pour le NaCl, 23g de sodium (ou 1 moles ou un équivalent de Na+) va se combiner avec 35,5g de Chlore (ou une mole ou un équivalent de Cl-) pour une solution une fois molaire de NaCl. 3) L’osmolarité correspond aux nombres de particules qui sont osmotiquement actives dans un litre de cette solution Elle est fonction du nombre total de particules qui sont dissoutes dans un litre de cette solution. Sans dissociation des solutés, la concentration osmolaire est égale à la concentration molaire. En cas de dissociation, la concentration osmolaire est égale à la concentration molaire, multipliée par le nombre d’ions issus de la dissociation. Exemple : pour une solution de NaCl, nous aurons ainsi 2 particules (ou osmoles) par litre de solution. 4) L’osmolalité quant à elle est exprimée en osmoles (donc en nombres de particules osmotiquement actives) par kg de solvant Dans les liquides corporels, l’osmolalité (exprimée en osm/kg de solvant) est presque identique à l’osmolarité puisqu’elle représente le nombre de particules présentes dans 1 kg d’eau avec une densité de l’eau qui est égale à 1. Ainsi une solution osmolale contient une osmole du soluté dissous dans un kg d’eau. On a l’équivalence : osmolalité à peu près égale à l’osmolarité exprimée en mOsm/L d’eau. L’osmolalité (et ainsi l’osmolarité) d’une solution va avoir un impact sur le volume cellulaire, on parle de tonicité ou d’effet de l’osmolarité sur le volume cellulaire. En milieu isotonique, l’osmolalité est normale, la quantité de soluté par volume est identique de part et d’autre de la membrane des cellules, il y a donc un équilibre entre les entrées et sorties d’eau des cellules. Par contre en milieu hypertonique, l’osmolalité est augmentée, ainsi l’hyperosmolalité extra-cellulaire va entrainer une sortie d’eau des cellules et une diminution du volume cellulaire. Enfin, en condition hypotonique, l’osmolalité est diminuée et va entrainer une entrée d’eau dans les cellules et ainsi une augmentation de volume cellulaire. Cours rédigé par Terry SHAPE, Camille DUMAS, et Clara GAZAGNAIRE page 6 sur 20 UE 2 – Physiologie rénale P.GUEIRARD B) Composition ionique du Liquide Extracellulaire La composition ionique des liquides plasmatiques et interstitiels est presque identique puisque toutes les petites particules, chargées ou non, traversent facilement la paroi capillaire qui va séparer ces deux compartiments : Cation majoritaire : Na+ (Sodium) Anions majoritaires : Cl-(Chlorure), HCO3 – (bicarbonate) Les petites différences que l’on observe, à savoir une concentrati on en anion diffusible dans le liquide interstitiel qui dépasse d’environ 5% celle de la concentration présente dans le plasma. Alors que la concentration des cations diffusibles est inférieure de 5% par rapport à leur concentration plasmatique. Ces petites différences des concentrations en ions entres les 2 liquides s’expliquent par l’équilibre de Gibbs- Donnan, qui va réguler la distribution des électrolytes entre ces 2 compartiments. Aussi intervient dans ce déséquilibre entre les 2 compartiments, la distribution inégale des macro-molécules protéiques qui elles traversent difficilement la membrane capillaire et qui vont rester surtout confinées au compartiment plasmatique. 1) Caractéristiques de l’équilibre de Gibbs-Donnan Il a pour fonction de réguler la distribution des électrolytes entre le plasma et le liquide interstitiel. Si on considère 2 compartiments liquidiens A et B, séparés par une membrane semi-perméable (ligne pointillés) qui ressemble à l’endothélium capillaire (c’est-à-dire un endothélium qui est perméable aux Na+ et Cl- mais imperméable aux protéines) : alors à l’équilibre, l’ajout de protéines dans le compartiment A sera à l’origine d’un équilibre de Gibbs-Donnan à savoir une distribution inégale des ions diffusibles de chaque côté de la membrane semi-perméable. Nous observons ainsi, grâce à cet équilibre de Gibbs-Donnan : le maintien de l’électroneutralité dans chaque compartiment la distribution inégale entre les 2 compartiments des macro-molécules protéiques et des ions un plus grand nombre de particules osmotiquement actives dans le plasma (contenant les macromolécules protéiques) le produit des concentrations des ions diffusibles est égal dans chaque compartiment liquidien A et B. Cours rédigé par Terry SHAPE, Camille DUMAS, et Clara GAZAGNAIRE page 7 sur 20 UE 2 – Physiologie rénale P.GUEIRARD L’équilibre de Gibbs-Donnan n’existe pas seulement de chaque côté de la paroi capillaire, entres les liquides plasmatiques et interstitiels. Il existe aussi de chaque côté de la membrane cellulaire entre le LIC et le LEC. En effet, les macromolécules anioniques (phosphates et protéines) qui sont présentes dans les cellules vont tendre à légèrement augmenter le nombre total de particules intracellulaires par rapport à celui des particules qui sont dans le liquide interstitiel. 2) Importance physiologique de l’équilibre de Gibbs-Donnan a. Entre les liquides plasmatique et interstitiel Grâce à cet équilibre de Gibbs-Donnan, le plus grand nombre de particules osmotiquement actives dans le plasma explique que son osmolarité dépasse légèrement celle du liquide interstitiel de 1 à 2 mOsm/L. Cette petite augmentation va être à l’origine de la création d’une pression osmotique (que l’on appelle la pression oncotique) qui est d’environ 25mmHg, la force de Starling retenant le liquide dans l’espace vasculaire. b. Entre les liquides interstitiel et intracellulaire A cause de l’équilibre de Gibbs-Donnan, les protéines intracellulaires vont tendre à augmenter le nombre de particules intracellulaires et ainsi à neutraliser les effets de la pompe Na/K. Il va aussi prévenir la baisse progressive du volume cellulaire et le mouvement osmotique d’eau hors des cellules. C) Composition ionique du liquide intracellulaire Dans ce cas, l’estimation est indirecte puisque par définition il n’est pas directement accessible. Les concentrations sont extrêmement variables d’un tissu à l’autre, et aussi, à l’intérieur d’une même cellule, très hétérogène d’un organite à un autre. Elle est très différente de celle du LEC. Cations majoritaires : Potassium (K+), Magnésium (Mg2+) Anions majoritaires : Phosphate (HPO4-) et les protéines. En effet, ce sont de grandes molécules qui vont rester confinées dans le compartiment intracellulaire. Enfin, l’osmolarité du LIC est légèrement supérieure à celle du LEC. Cours rédigé par Terry SHAPE, Camille DUMAS, et Clara GAZAGNAIRE page 8 sur 20 UE 2 – Physiologie rénale P.GUEIRARD D) Polarisation de la membrane cellulaire La membrane de toutes les cellules eucaryotes est électriquement polarisée de part sa composition moléculaire et de part les mouvements ioniques de part et d’autres de cette membrane. Nous avons en effet une différence de potentiel membranaire d’environ -70 mV entre les deux côtés de la membrane qui correspond à ce qu’on appelle le potentiel de membrane au repos. Nous avons ainsi une face extracellulaire de la membrane plasmique qui est chargée positivement et une face cytoplasmique est chargée négativement. Quant à elles, les cellules nerveuses et musculaires sont capables de dépolariser la membrane cellulaire et de générer un potentiel d’action. Ainsi le potentiel de membrane, négatif à l’intérieur de la cellule peut rapidement devenir positif du fait de l’ouverture de canaux ioniques qui vont laisser passer en particulier des ions sodium. Cette dépolarisation va être à l’origine de l’excitation des cellules nerveuses et de la contraction des cellules musculaires III- Dynamique des liquides corporels : transports entre les comparti- ments extra et intra-cellulaires A) Transport des substances à travers les membranes biologiques Un échange continu d’eau et d’électrolytes a lieu au travers des membranes biologiques délimitant les différents compartiments liquidiens. Cela permet de maintenir le volume cellulaire et le volume plasmatique. Le maintien du volume cellulaire normal est indispensable au bon fonctionnement de la cellule et va dépendre du mouvement d’eau selon le gradient osmotique à travers la membrane cellulaire. Le maintien du volume plasmatique et sanguin normal est également essentiel à une perfusion tissulaire correcte et va dépendre du mouvement d’eau et de solutés à travers la paroi capillaire vers le compartiment interstitiel ou vers l’extérieur de l’organisme. Les 3 principaux lieux d’échanges en eau et en électrolytes sont : - Echanges entre les compartiments extracellulaire et intracellulaire à travers la membrane cellulaire - Echanges entre les compartiments plasmatique et interstitiel du LEC à travers la paroi capillaire - Echanges entre le plasma et l’environnement extérieur (lumière tube digestif et tubule rénal) L’eau et les solutés se déplacent entre ces différents compartiments selon 3 gradients : Cours rédigé par Terry SHAPE, Camille DUMAS, et Clara GAZAGNAIRE page 9 sur 20 UE 2 – Physiologie rénale P.GUEIRARD - Eau : selon un gradient osmotique, ainsi le transport passif de l’eau selon ce gradient osmotique sera continuel entre les différents compartiments liquidiens. - Les solutés : selon un gradient de concentration selon un gradient électrique, lorsqu’ils sont chargés. Ces derniers vont déterminer le transport passif ou le transport actif des solutés entres les différents compartiments liquidiens. 1) Le transport passif Le transport passif des solutés se fait de la façon suivante : - Lorsque le soluté n’est pas chargé, celui-ci diffuse spontanément au travers de la membrane selon un gradient de concentration (dit chimique) du côté le + concentré vers le côté le – concentré. - Lorsque le soluté est électriquement chargé, il diffuse spontanément au travers de la membrane selon sa charge électrique. Ainsi le côté négatif de la membrane attire les cations chargés positivement et le côté positif attire les anions avec leur charge négative. Le gradient électrochimique est la combinaison des deux gradients électrique et chimique. Ce transport passif ou diffusion ne requiert pas d’énergie métabolique. 2) Le transport actif Le transport actif se fait de la façon suivante : - Lorsque le soluté n’est pas chargé, celui-ci traverse la membrane du côté le moins concentré vers le côté le plus concentré. - Lorsque le soluté est électriquement chargé, les cations traversent la membrane vers son côté chargé positivement tandis que les anions la traversent vers son côté chargé négativement. A l’inverse du transport passif, le transport actif requiert de l’énergie métabolique sous la forme d’ATP. Cette énergie pourra être fournie à la cellule par différentes ATPase et en particulier par la NA/K-ATPase présente dans la membrane de presque toutes les cellules de l’organisme. Cours rédigé par Terry SHAPE, Camille DUMAS, et Clara GAZAGNAIRE page 10 sur 20 UE 2 – Physiologie rénale P.GUEIRARD B) Echanges d’eau Etudions tout d’abord les échanges d’eau entre les compartiments extraC et intraC. La membrane cellulaire est très perméable à l’eau mais peu voir parfois imperméable à certains solutés. La membrane capillaire est quant à elle très perméable à l’eau et aux solutés. L’eau va se distribuer selon le gradient osmotique. Il existe deux mécanismes de déplacement de l’eau au travers des membranes cellulaires : - La diffusion simple - La diffusion facilitée : utilise les aquaporines Pour rappel, la membrane des cellules eucaryotes comportent des protéines, des glucides et surtout des lipides (de plus petites tailles que les protéines) qui sont organisés en bicouche lipidique avec la tête polaire des lipides orientés vers le haut et les queues hydrophobes orientées vers l’intérieur de la bicouche lipidique. Ces éléments constitutifs constituent un environnement membranaire plutôt hydrophobe donc assez peu favorable au passage spontané des molécules hydrophiles (comme par exemple les molécules d’eau). Au travers de la membrane plasmique, nous distinguons deux grands types de transports : - Le transport passif : parmi les différents types de transports passifs existants, la diffusion simple et la diffusion facilitée vont permettre le transport de l’eau au travers des membranes cellulaires. - Le transport actif. Cours rédigé par Terry SHAPE, Camille DUMAS, et Clara GAZAGNAIRE page 11 sur 20 UE 2 – Physiologie rénale P.GUEIRARD 1) La diffusion simple Il s’agit d’un mécanisme de transport passif qui ne nécessite pas l’intervention d’un transporteur. Il concerne les petites molécules non chargées. Le transport se fait toujours dans le sens du gradient de concentration de la substance. La vitesse de transfert de cette substance sera proportionnelle à sa concentration et à son hydrophobicité et inversement proportionnelle à sa taille. Ainsi l’eau va traverser spontanément les membranes cellulaires par diffusion simple, mais avec une efficacité faible avec un coefficient de perméabilité qui est compris ente 10^-4 et 10^-7(10 puissance…) cm/seconde. 2) Diffusion facilitée de l’eau : les aquaporines L’efficacité de transfert de l’eau au travers des membranes cellulaires est bien plus importante au travers des aquaporines. Les canaux hydriques appelées aquaporines sont des transporteurs (ou perméases) qui assurent le transport transmembranaire des molécules d’eau. Il existe 13 formes moléculaires connues notées AQP0 à AQP12 chez les mammifères. Sur le plan structural, les monomères d’aquaporines possèdent : - une région N et C-terminal intracellulaire - 6 segments transmembranaires en hélice alpha - Certaines hélices sont reliées entre elles par des boucles d’acides aminés avec un motif NPA (Asparagine-Proline-Alanine) Cours rédigé par Terry SHAPE, Camille DUMAS, et Clara GAZAGNAIRE page 12 sur 20 UE 2 – Physiologie rénale P.GUEIRARD Chaque monomère forme un canal individuel à eau très étroit, on parle de pore, en forme de sablier qui va laisser passer les molécules d’eau en file indienne. 4 monomères vont s’associer entre eux pour former des homotétramères qui définissent des grands canaux, avec pour chaque monomère un canal à eau. L’expression de ces aquaporines est très abondante à la surface des cellules épithéliales du rein et ainsi ces aquaporines vont permettre le passage de l’eau de façon beaucoup plus efficace que par diffusion simple à raison de 10^9 molécules d’eau par seconde. C) Echanges d’eau entre les compartiments extra et intra-cellulaire L’eau diffuse au travers des membranes par diffusion simple et via les aquaporines selon le gradient osmotique, qui est créé par les solutés qui ne traversent pas les membranes : Côté extracellulaire : les ions sodium et anions associés. Côté intracellulaire : les ions potassiums et anions associés. Ainsi un mouvement osmotique de l’eau se créer entre les différents compartiments. En fait, parce que la plupart des membranes séparant les différents compartiments liquidiens sont perméables à l’eau, l’osmolarité plasmatique est quasiment identique à l’osmolarité de tous les liquides corporels : - Osmolarité plasmatique : 300mosmoles/L. - Exception : urine, sueur. Cours rédigé par Terry SHAPE, Camille DUMAS, et Clara GAZAGNAIRE page 13 sur 20 UE 2 – Physiologie rénale P.GUEIRARD On peut facilement gagner ou perdre, dans le compartiment plasmatique du LEC, de l’eau (seule ou avec des solutés) car le plasma est directement en contact avec l’environnement extérieur, surtout au niveau des reins et du tube digestif. Le changement rapide de poids corporel est, en clinique, une façon facile et précise d’estimer le volume de ces gains ou de ces pertes de liquides. Les modifications du volume et de l’osmolarité des liquides corporels proviennent donc toujours de changements qui proviennent initialement du compartiment extracellulaire. C’est uniquement dans un second temps que l’eau va se redistribuer entres les compartiments extracellulaire et intracellulaire. A l’équilibre, l’osmolarité plasmatique est proche de 300mosmoles/L, il y le même nombre de particules dans un litre LEC ou de LIC. L’osmolarité intracellulaire est identique à l’osmolarité plasmatique ou extracellulaire. Dans les déséquilibres, l’osmolarité plasmatique et la distribution de l’eau entre les compartiments extracellulaire et intracellulaire vont être modifiés. 1) Expansion iso-osmotique En cas de gain de liquide isotonique (ex : lors de la perfusion de liquide isotonique au patient) le volume du compartiment extracellulaire va être modifié sans pour autant changer l’osmolarité des liquides corporels. Ainsi si un patient reçoit 3 L de soluté salin isotonique, celui-ci va alors se distribuer dans tous le compartiment extracellulaire en raison de l’équilibration rapide entre le plasma et le LEC au travers de la membrane capillaire qui est très perméable. On n’observe aucun mouvement osmotique d’eau entre le LEC et le LIC car l’osmolarité reste inchangée égale à 300mosm/L dans les 2 compartiments, il n’y a aucun gradient osmotique. On parle d’expansion iso-osmotique. Par conséquent le volume du compartiment intracellulaire ne change pas et seulement celui du LEC augmente de 3 litres. Le volume extracellulaire est augmenté. Cours rédigé par Terry SHAPE, Camille DUMAS, et Clara GAZAGNAIRE page 14 sur 20 UE 2 – Physiologie rénale P.GUEIRARD 2) Contraction iso-osmotique A l’inverse, lors d’une perte de solution saline iso-tonique (ex : prise de sang) le volume du LEC diminue, mais l’osmolarité des liquides corporels va rester inchangée. Les 3L de salin iso-tonique perdu proviennent seulement du compartiment extracellulaire alors que le volume du LIC ne change pas. Il n’y a aucun mouvement osmotique d’eau entre les 2 compartiments (LEC et LIC) et l’osmolarité reste inchangée égale toujours à 300mosmoles/L avec aucun gradient osmotique. Il s’agit de la contraction iso- osmotique. 3) Expansion hypo-osmotique (gain d’eau) Un gain d’eau (ex : boire de l’eau) par le compartiment extracellulaire va entrainer une diminution de l’osmolarité des liquides corporels. Avant tout mouvement osmotique d’eau, l’addition par exemple de 3L d’eau à la phase extracellulaire va diluer celle-ci, et les 3000 mosmoles vont être distribuées dans un plus grand volume d’eau (ex :10+3=13L). Toutefois, la majeure partie de l’eau ajoutée à la phase extracellulaire va se déplacer selon le gradient osmotique du LEC (avec son osmolarité plus basse) vers l’osmolarité plus élevé du LIC. Des 3L d’eau ajoutés à la phase extracellulaire, les 2/3 (ou 2L) pénètrent dans le compartiment intracellulaire et seulement 1/3 (soit 1L) reste dans le LEC. A l’équilibre, le volume des 2 compartiments augmentent tandis que leur osmolarité diminue. On parle d’expansion hypo-osmotique. /!\ erreur sur le calcul de l’osmolarité dans le diapo, comme on dilue, l’osmolarité baisse donc on aura autant de particules (3000mosm mais dans 13L et pas 3900mosm) Cours rédigé par Terry SHAPE, Camille DUMAS, et Clara GAZAGNAIRE page 15 sur 20 UE 2 – Physiologie rénale P.GUEIRARD 4) Contraction hyper-osmotique (perte d’eau) Une perte d’eau ( ex : élimination d’eau dans les urines, diarhée) va augmenter l’osmolarite des liquides corporels. En l’absence théorique de mouvement osmotique d’eau, la perte de par exemple 3L d’eau sans aucun soluté de la phase extracellulaire va concentrer cette phase, les 3000 mosm étant concentrées dans un volume plus restreint (10-3 =7L). En fait, la plus grande partie de l’eau perdue au niveau du LEC va provenir du compartiment intracellulaire. Ainsi le gradient osmotique va déplacer l’eau de la phase intracellulaire (avec son osmolarité plus basse) vers l’osmolarité plus élevée du compartiment extracellulaire. Des 3L d’eau ainsi perdus au niveau du LEC, les 2/3 (soit 2L) proviennent du compartiment intracellulaire et seulement 1/3 (soit 1L) proviennent de la phase extracellulaire. Ainsi le volume des 2 compartiments diminue et la hausse de l’osmolarité est identique dans les 2 compartiments. On parle de contraction hyper-osmotique. D) La pompe Na+/K+/ATPase On va aborder les transports d’électrolytes entre les compartiments extra et intra-cellulaires. Comme nous l’avons vu avant, la membrane plasmique est quasiment imperméable aux ions, ainsi leur transfert entre les compartiments extra-c et intra-c va nécessiter des transporteurs spécifiques comme la pompe Na/k ATPase et l’échangeur sodium/potassium. Les transports actifs primaires correspondent à un couplage chimio-osmotique direct avec hydrolyse de l’ATP. Ils sont assurés par des pompes membranaires, et pour une même molécule, on a une lyse grâce à l’ATP, et un échange. Cours rédigé par Terry SHAPE, Camille DUMAS, et Clara GAZAGNAIRE page 16 sur 20 UE 2 – Physiologie rénale P.GUEIRARD 1) Rôle de la pompe La pompe Na/k ATPase va permettre le transport des ions contre leur gradient de concentration : on est dans ce cas avec des transports actifs, par opposition aux transports passifs comme pour le passage de l’eau par diffusion simple ou facilitée (aquaporines). Parmi les mécanismes actifs décrits, il faut distinguer les transports actifs primaires et secondaires. Ici nous sommes dans le cas de transports actifs primaire, il y a couplage chimio-osmotique direct avec hydrolyse d’ATP. Ce transport actif primaire est assuré par des pompes membranaires qui assurent le transport des ions contre leur gradient de concentration, et qui en même temps, vont être capables d’apporter l’énergie nécessaire pour ce transport, grâce à leur activité ATPasique( capacité à hydrolyser l’ATP) de manière à fournir l’énergie nécessaire à ce transport. La pompe Na+/K+ joue un rôle central dans le transport membranaire des cellules animales car 25 à 30% des dépenses énergétiques d’une cellule viennent du fonctionnement de cette pompe ! Sa fonction essentielle est le maintien du gradient sodium/potassium entre le LEC et le LIC. Ces gradients sont physiologiquement très importants, car ils permettent : -le maintien du potentiel de membrane -maintien du volume cellulaire -maintien du transport actif secondaire des oses, des acides aminés, du phosphate et des H+. 2) Structure de la pompe à sodium Il s’agit d’une ATPase, c’est-à-dire qu’elle possède une active hydrolytique capable d’hydrolyser un ATP en un ADP. La sous-unité alpha est située côté intra-c et porte l’activité ATPasique, ainsi que les sites de fixation du NA+ et du K+. La sous-unité béta est glycosylée et orientée côté extra-c. La pompe Na/k est organisée en un tétramère ancré dans la membrane avec 2 sous-unités béta et 2 sous- unités alpha. Comme on le voit sur le schéma, la pompe va assurer le transfert des ions Na+ du côté cytosolique vers le milieu extra-c et le transfert des ions K+ du milieu extra-c vers le cytosol, donc contre leur gradient électro-chimique. Pour cela, elle fournie de l’énergie avec l’hydrolyse de l’ATP avec ses sous-unités alpha. Cours rédigé par Terry SHAPE, Camille DUMAS, et Clara GAZAGNAIRE page 17 sur 20 UE 2 – Physiologie rénale P.GUEIRARD 3) Bilan et fonctionnement de la pompe Bilan de la pompe : pour 3 ions Na+ qui sortent de la cellule, 2 ions K+ rentrent, pour une molécule d’ATP hydrolysée en ADP. Fonctionnement de la pompe : la pompe va subir des cycles incluant des changements conformationnels et des phosphorylations et déphosphorylations. 1- les ions Na+ se fixent sur le site de fixation spécifique, ce qui entraîne 2- l’hydrolyse de l’ATP et fournit des groupements phosphates nécessaires à la phosphorylation de la pompe. 3- La pompe change d’état conformationnel et s’ouvre du côté extra-c pour l’expulsion des ions Na+. 4- sites de liaisons des ions K+ maintenant accessibles : les ions se fixent et entraînent une 5) déphosphorylation de la pompe et donc 6) son changement de conformation : elle s’ouvre du côté intra-c pour laisser entrer les ions K+. Et ainsi de suite, le cycle recommence On a donc un cycle avec des changements de conformation, accompagné de phosphorylations / déphosphorylations. Cours rédigé par Terry SHAPE, Camille DUMAS, et Clara GAZAGNAIRE page 18 sur 20 UE 2 – Physiologie rénale P.GUEIRARD E) L’échangeur Na+/H+ L’échangeur Na+/H+ permet le passage des ions sodium et H+ à travers la membrane plasmique par diffusion facilitée(mécanisme déjà évoqué). Il est présent dans la membrane de plusieurs cellules. 1) Propriétés générales de la diffusion facilitée Elle ne nécessite pas de dépense énergétique. Le passage transmembranaire de molécules dépend de protéines ou de complexes macromoléculaires transmembranaires : les transporteurs. C’est une diffusion très rapide avec une cinétique de saturation (schéma). On voit que ce mécanisme est plus rapide et efficace que la diffusion simple et arrive un plateau du fait du nombre limité de transporteurs présent au niveau de la membrane (saturation). 2) Conformation et type des transporteurs de la diffusion facilitée Dans la diffusion facilitée, ces transporteurs existent sous 2 formes conformationnelles différentes : état ping : ouvert vers le compartiment intra-cellulaire état pong : ouvert vers le compartiment extra-cellulaire Le changement conformationnel est relatif en fonction de la concentration en soluté de part et d’autre de la membrane. Le transfert se fait dans le sens du gradient de concentration car on est dans le cas de transporteurs passifs. Ces échanges de diffusion facilitée sont de 2 grands types : - uniport : qui utilisent des transporteurs « uniporteurs » : où une seule molécule est véhiculée du milieu où elle est + concentrée vers le milieu où elle l’est moins - transport de type symport ou antiport : co-transport de 2 molécules en même temps. Cours rédigé par Terry SHAPE, Camille DUMAS, et Clara GAZAGNAIRE page 19 sur 20 UE 2 – Physiologie rénale P.GUEIRARD NB : Symporters : 2 molécules dans le même sens ≠ Antiporteurs : 2 molécules dans le sens inverse. C’est le cas de notre échangeur Na-H. 3) Rôle de l’échangeur Na+/H+ L’échangeur Na-H est présent dans la membrane de différentes cellules. Le transport des ions Na+ se fait du milieu extra-c vers le cytosol en même temps que les ions H+ vont dans le sens inverse. Cet échangeur va jouer un rôle très important dans le maintien du volume cellulaire et de l’acidité des compartiments extra et intra- c. 4) Désordres électrolytiques On va retrouver des échanges de cations entre le liquide extra-c et intra-c dans différentes situations pathologiques qui vont être associées à des désordres hydro-électrolytique. Exemples : - En cas d’hypokaliémie, le potassium va sortir de la cellule en échange d’ions sodium et d’ions H+ qui vont se déplacer du liquide extra-c vers la cellule - Dans les situations d’acidose métabolique associées à une hyperkaliémie, les ions H+ vont rentrer dans la cellule en échange des cations Na+ et K+, ainsi la concentration de potassium peut augmenter de façon très importante. - Dans le cas d’une alcalose associée à une hypokaliémie : les H+ vont sortir de la cellule en échange des cations sodium et potassium qui pénètrent et la concentration en potassium va diminuer jusqu’à atteindre une situation d’hypokaliémie sévère chez le patient. Cours rédigé par Terry SHAPE, Camille DUMAS, et Clara GAZAGNAIRE page 20 sur 20