Biophysique de l’équilibre acido-basique - PDF

BIOPHYSIQUE DE L’EQUILIBRE ACIDO-BASIQUE Dr Mamoudou Salif DJIGO Service de Biophysique et de Médecine Nucléaire/FMPO/UCAD  I- GENERALITES  Le ph plasmatique dans le sang artériel (7,40 à 37°C) est basique.  Malgré les agress...

BIOPHYSIQUE DE L’EQUILIBRE ACIDO-BASIQUE Dr Mamoudou Salif DJIGO Service de Biophysique et de Médecine Nucléaire/FMPO/UCAD  I- GENERALITES  Le ph plasmatique dans le sang artériel (7,40 à 37°C) est basique.  Malgré les agressions permanentes, il est remarquablement stable (7,40 ± 0,02) correspondant à [H+] libres de 41 ± 2 nmol/l,  Des pH en dehors de(6,8-7,8) correspondant à [H+] libres en dehors de(15-150 nmol/l) mettent en jeu le pronostic vital  Le ph plasmatique veineux est un peu plus acide , car plus riche en CO2  I- GENERALITES Chaque milieu de l’organisme a par son propre pH:  Sang artériel : 7,38 -7,42  Sang veineux : 7,36 -7,41  Érythrocyte = 7,20 cellule normale au repos = 6,80  muscle = 6,1 salive = 6,3 urines = 4,5 à 8  Liquide gastrique = 2 Vie correcte : si le pH des différents milieux est stable o état électrique et échanges ioniques normaux o activité enzymatique correcte.  I- GENERALITES Deux types de perturbation de l’équilibre Acido-Basique:  Le pH plasmatique est dit acide lorsque le pH est inférieur à la norme (< 7.35 à 7.38 ). On parle alors d’état d’acidémie. Le processus qui y conduit est l’acidose  le pH plasmatique est dit basique , lorsque le pH plasmatique passe au-dessus de la norme (> 7.42 à 7.45). On parle d’état d’alcalémie. Le processus qui y conduit est l’alcalose  II- MECANISMES DE PROVENANCE ET D’ELIMINATION DES IONS H+ Pour comprendre la régulation de l’ équilibre acido-basique, il est important de connaitre les mécanismes de provenance et d’élimination des ions H+ ❖ Origines : deux groupes d’acide sont à l’origine des H+ dans l’organisme: -Acides volatils: acide qui peut s’échapper de la solution dans la quelle il est dissous -Acides fixes: acide qui ne peut s’échapper de la solution dans la quelle il est dissous, mais peut néanmoins s’échapper en solution du récipient qui le contient (ouvert à l’extérieur)  II- MECANISMES DE PROVENANCE ET D’ELIMINATION DES IONS H+ Acides volatils  CO2 d (dissous), est le seul acide volatil de l’organisme CO2 d + H2O H2CO3 H+ + HCO3-  CO2 d en équilibre avec le CO2 gazeux selon la loi de Henry [CO2 d ] (mmol/l)= a P CO2 P CO2 : pression en CO2 gazeux (pulmonaire) en mmHg a: coefficient de solubilité ou d’Henry = 0,03 à 37°C  15000 à 20000 mmol de CO2 sont produits par jr essentiellement par le cycle de Krebs (métabolisme aérobique des glucides)  II- MECANISMES DE PROVENANCE ET D’ELIMINATION DES IONS H+ Acides fixes  Acides fixes minéraux: catabolisme des protéines (+++) Génèrent env 35 mEq d’ions H+/j et sont représentés par: - acide phosphorique (H3PO4): métabolisme caséine - acide sulfurique (H2SO4): métabolisme des AA  Acides fixes organiques: 2000 à 2500 mmol/jr - acide lactique (catabolisme anaérobique du glucose), acide pyruvique, acide citrique, etc - acides gras provenant de la lipolyse  II- MECANISMES DE PROVENANCE ET D’ELIMINATION DES IONS H+ ❖Elimination des ions H+ Métabolisme  Métabolisme des anions organiques comme le lactate: glycolyse aérobique HCO3- qui reprend en charge l’ion H+ provenant de la dissociation de l’acide organique.  Hypoxie (carence en oxygène): surcharge acide majeure ou acidose lactique pronostic vital mis en cause Poumons  Elimination de la charge acide sous forme de CO2 au prix de la consommation d’un ion bicarbonate H+ + HCO3- CO2 d CO2 gaz SCHEMA DE LA GLYCOLYSE  II- MECANISMES DE PROVENANCE ET D’ELIMINATION DES IONS H+ Reins  Transport direct des H+ du plasma vers l’urine  Elimination des H+ sans consommation de bicarbonate  Cependant les H+ ne restent pas libres dans l’urine (brûlures urinaires insoutenables), ils sont pris en charge: - pour un tiers par le tampon phosphate HPO42- + H+ H2PO4- - pour les 2/3 restants par le tampon ammoniac NH3 + H+ NH4+ III-MECANISMES CONTROLANT L’EQUILIBRE ACIDO-BASIQUE Lutte permanente de l’organisme contre excès ou insuffisances d’apports ou de sorties d’acides ou de bases 3 LIGNES DE DEFENSE DELAI  Système chimique : Tampons physico-chimiques secondes du milieu intérieur  Système fonctionnel Poumons minutes Reins heures  A-ROLE DES SYSTEMES TAMPONS  Les systèmes tampons évitent les variations importantes de pH aux milieux dans les quels ils sont dissous.  L’acide faible fournit des H+ quand il en manque et la base conjuguée en capte quand ils sont en excès.  Les tampons existent dans tous les milieux biologiques  Régulation rapide, mais à court terme car ils sont saturables  Propriétés d’un système tampon efficace : pKa proche du pH à tamponner Concentration suffisante Quantités égales d’acide et de base  A-ROLE DES SYSTEMES TAMPONS ❖ TAMPONS SANGUINS : Par ordre décroissant d’importance, on a les tampons : Carbonique : H2CO3/HCO3- Hémoglobinique : HbO2H/HbO2- ; HbH/Hb- Protéique : PrH/Pr - Phosphorique : PO4H2-/PO4H2- Le pouvoir tampon du sang est très élevé : 21,6 à 30 mmole/l. Unité pH  A-ROLE DES SYSTEMES TAMPONS ❖ Tampons cellulaires et osseux,  concentrations peu connues et inutilisables en clinique (difficiles à mesurer)  Par ordre décroissant d’importance, on a : Protéique : PrH/Pr – Phosphorique : PO4H2- /PO4H2- Carbonique : CO2 / HCO3- ❖ Autres milieux : LCR et liquides interstitiels ≈ plasma (sauf protéines) Urines surtout tamponnées par les phosphates  A-ROLE DES SYSTEMES TAMPONS 1- Système tampon carbonique : H2CO3 / HCO3- CO2 d + H2O H2CO3 HCO3- + H+ équilibre alvéolaire CO2 gazeux pH = 6,1 + log (HCO3-) (CO2)d (H2CO3 )≈ (CO2) dissous ≈ (CO2) gazeux Loi de Henry : (CO2)d = a P CO2 pH = 6,1 + log (HCO3- ) a P CO2  A-ROLE DES SYSTEMES TAMPONS  Chez un sujet normal : pH = 7,4 (HCO3-) = 24-28 mEq/l P CO2 = 40 mmHg (5,33 kPa) a = 0,03 (HCO3- ) = 20 (CO2)d  Le rapport garde la même valeur lorsque l’on multiplie ou divise le numérateur et dénominateur par le même chiffre.  Le pH sanguin peut rester normal malgré des concentrations anormales de HCO3- et (CO2)d  A-ROLE DES SYSTEMES TAMPONS  Un ST est dit ouvert si [A-] + [AH] ≠ constante peuvent s’échapper du récipient qui les contient  [A-] + [AH] = constante ST fermé  Le tampon carbonique est le seul tampon sanguin ouvert [CO2] + [HCO3-] ≠ constante CO2 est volatil : élimination pulmonaire HCO3- : élimination rénale  Responsable de 60 % de l’effet tampon du sang  A-ROLE DES SYSTEMES TAMPONS 2- Système érythrocytaire : (hémoglobine)  Système hémoglobinate-hémoglobine (veines) HbH Hb- + H+ pH = 7,93 + log (Hb-) (HbH)  Système oxyhémoglobinate-oxyhémoglobine (artères) HbO2H HbO2- + H+ pH = 6,68 + log (HbO2-) (HbO2H)  A-ROLE DES SYSTEMES TAMPONS  Tampon fermé  Responsable de 30% de l’effet tampon du sang  Rééquilibration de la ≠ce d’acidité entre veines et artères Le système tampon ramène le pH vers son pka Dans les veines pKa (HbH) = 7,93 , moyen de lutte contre acidité Dans les artères pKa (HbO2H) = 6,68 , moyen de lutte contre la basicité  Rapidité d’action  Quantité importante  A-ROLE DES SYSTEMES TAMPONS 3- Système Tampon protéique (plasmatique)  Ensemble de systèmes tampons.  pH plasmatique > pHi , les protéines se comportent comme des acides : ProtH Prot- + H+ pH = pK + log (Prot -) ( Prot H)  Tampon fermé  Responsable de 5 % de l’effet tampon du sang (Albumine)  A-ROLE DES SYSTEMES TAMPONS 4- Système tampon phosphorique (Plasmatique et interstitiel) PO4H3 PO4H2- + H+ C’est la deuxième fonction acide qui est impliquée PO4H2- PO4H - - + H+  pH = 6,82 + log ( PO4H - - ) ( PO4H2-)  à l’état normal : ( PO4H - -) = 4 ( PO4H2-)  A-ROLE DES SYSTEMES TAMPONS  Tampon fermé  Responsable de 1 % de l’effet tampon du sang  Mode d’action En cas d’acidose chronique, le phosphate de calcium de l’os devient soluble et joue le rôle de tampon PO4H - - + H + PO4H2- En cas de maladie primitive de l’os, la même réaction dans un plasma normal entraîne une alcalose pathologique.  Les phosphates sont aussi d’excellents tampons urinaires  B-ROLE DES POUMONS Les poumons agissent de deux façons :  permettent l’évacuation de grandes quantités de CO2 (acide volatil) formés chaque jour par le métabolisme  Ils adaptent la valeur de la pCO2 (centres respiratoires) plasmatique aux variations de [HCO3-] afin de conserver le rapport [HCO3-] = [HCO3-] = 20 [H2CO3] aPCO2 Action des poumons est lente mais durable  B-ROLE DES POUMONS 1- Elimination de CO2  CO2 + H2O CO3H2 HCO3-+ H+ dissous (plasma)  A l’équilibre(CO2)d = aPCO2(loi de Henry)  CO2 dissous en équilibre avec le CO2 alvéolaire Une augmentation du CO2d transfert du CO2 vers l’alvéole une diminution du CO2d transfert du CO2vers le plasma  B-ROLE DES POUMONS 2- Adaptation de la pCO2 aux variations du taux de bicarbonates (contrôle par la ventilation)  Excès de bicarbonates (surcharge alcaline: alcalose métabolique) - augmentation du pH et - dépression des centres respiratoires (bradypnée) PCO2 augmente (acidose respiratoire) - limitée par la baisse de pO2-  Diminution de bicarbonate (surcharge acide: acidose métabolique) -Diminution du pH -Stimulation des centres Respiratoires (Polypnée) ou élimination augmentée du CO2 PCO2 baisse (alcalose métabolique)  C-ROLE DU SYSTÈME RENAL Les reins agissent à deux niveau: 1- sur l’élimination des ions H+ - Diffusion passive du CO2 dans la paroi tubulaire - Transformation en HCO3- + H+ Elimination urinaire d'H+ associée à HPO42-(contre un Na+ réabsorbé et renvoyé avec un HCO3-dans la circulation sanguine). Elimination urinaire d'H+ associée à NH3 donnant NH4+ ELIMINATION DE LA CHARGE ACIDE PAR LE REIN  C-ROLE DU SYSTÈME RENAL 2- sur l’élimination des bicarbonates :  En cas d’acidose : le rein corrige le pH en diminuant le taux de bicarbonates urinaire (la réabsorption plasmatique augmente) La surcharge acide consomme des bicarbonates que le rein doit régénérer  En cas d’alcalose : le rein corrige le pH en augmentant le taux de bicarbonates urinaire (la réabsorption plasmatique diminue) L’action des reins est bcp plus lente et durable  ROLE DU FOIE  Synthèse hépatique de l’urée Synthèse de l’urée à partir de NH4+ avec consommation de HCO3- et élimination rénale de l’urée Processus acidifiant par perte du HCO3-  Synthèse hépatique de la glutamine, Transport de la glutamine au niveau des reins permet l’élimination d’acides avec régénération de HCO3- Processus globalement alcalinisant  En cas d’acidose : - inhibition de la synthèse d’urée - et économie d’HCO3-  IV-PERTURBATIONS DE L’EQUILIBRE ACIDO- BASIQUE Les troubles de l’équilibre acido-basique peuvent avoir deux origines:  Physiologiques: déséquilibre entre les apports (alimentaire et métabolique) et les sorties (rénale et pulmonaire), d’acides et de bases.  Pathologiques: multiple et variable - dérèglements métaboliques - troubles digestifs (vomissements, diarrhée) - insuffisances respiratoire et rénale, etc  IV-PERTURBATIONS DE L’EQUILIBRE ACIDO- BASIQUE pH = 6,1 + log (HCO3- ) a P CO2 Il existe trois sortes de troubles: -Troubles respiratoires purs: anomalie de [CO2] donc de la P CO2 -Troubles métaboliques purs: anomalie [HCO3-] -Troubles mixtes: variation simultanée et inverse (synergique) de P CO2 et [HCO3-] pH ˂ 7,4 : acidose pH ˃ 7,4: alcalose  1- LES ETATS D'ACIDOSE pH plasmatique < à 7,40. Selon le mécanisme : 1. Acidose métabolique: baisse primitive du taux des bicarbonates plasmatiques. 2. Acidose respiratoire: augmentation primitive du taux de gaz carbonique, de la pCO2. 3. Acidoses mixtes: association synergique des 2 mécanismes d’acidose (1 + 2).  1- LES ETATS D'ACIDOSE ACIDOSE RESPIRATOIRE  pH plasmatique est acide, c’est-à-dire inférieur à 7.40  Augmentation du taux de CO2plasmatique(et donc de la pCO2), essentiellement par altération de la fonction d’épuration du CO2 par le poumon, par hypoventilation alvéolaire.  Taux de bicarbonates normal  1- LES ETATS D'ACIDOSE ACIDOSE METABOLIQUE  pH plasmatique est acide, c’est-à-dire inférieur à 7.40  Taux de bicarbonates plasmatiques est bas, inférieur à24 mEq /l  PCO2est normale  1- LES ETATS D'ACIDOSE ACIDOSE MIXTE  pH plasmatique est acide, c’est-à-dire inférieur à 7.40  Taux de bicarbonates plasmatiques est bas,  PCO2 augmentée (Hypoventilation)  2- LES ETATS D'ALCALOSE pH plasmatique > à 7,4. Selon le mécanisme : 1. Alcalose métabolique: augmentation primitive du taux des bicarbonates plasmatiques. 2. Alcalose respiratoire: baisse primitive du taux de gaz carbonique, de la pCO2. 3. Alcalose mixte: association synergique des 2 mécanismes d’alcalose (1 + 2).  2- LES ETATS D'ALCALOSE ALCALOSE RESPIRATOIRE  pH plasmatique est basique, c’est-à-dire supérieur à 7.40  Chute du taux de CO2 plasmatique (et donc de la PaCO2) (hyperventilation)  Taux de bicarbonates plasmatiques est normal  2- LES ETATS D'ALCALOSE ALCALOSE METABOLIQUE  pH plasmatique est basique, c’est-à-dire supérieur à 7.40  Augmentation du taux de bicarbonates plasmatiques.  La PaCO2 est normale  2- LES ETATS D'ALCALOSE ALCALOSE MIXTE  pH plasmatique est basique, c’est-à-dire supérieur à 7.40  Augmentation du taux de bicarbonates plasmatiques.  La PaCO2 chute ( hyperventilation)  3- COMPENSATIONS DES TROUBLES Un trouble métabolique a une compensation obligatoirement respiratoire Un trouble respiratoire a une compensation obligatoirement métabolique Ainsi:  Acidose métabolique Alcalose respiratoire  Alcalose métabolique Acidose respiratoire  Troubles mixtes : pas de compensation  4- DIAGRAMME DE DAVENPORT  Diagramme d’évolution de la concentration de bicarbonates en fonction du pH.  Point normal N, représente l’état acido-basique normal [HCO3-]=24 mmol/l P CO2 = 40 mmHg pH= 7,4  L’isobare passant par le point normal est appelé isobare normal  La droite normale d’équilibration (DNE) correspond à la droite d’équilibration passant par N 4- DIAGRAMME DE DAVENPORT TROUBLES RESPIRATOIRES TROUBLES METABOLIQUES TROUBLES ACIDO-BASIQUES ET COMPENSATIONS Zone1a: acidose resp et compensation méta Zone1b: Alcalose méta et compensation resp Zone2a: Acidose méta et compensation resp Zone2b: Alcalose resp m et compensation méta TROUBLES ACIDO-BASIQUES ET COMPENSATIONS TROUBLES ACIDO-BASIQUES SANS COMPENSATIONS