Equilibre acido-basique1. CONTRÔLE DE L’EQUILIBRE ACIDO-BASIQUE

Thierry PETITCLERCBiophysique du milieu intérieur

PCEM1 – Université Paris 6

Généralités

Origine des ions H+

Elimination des ions H+

Transport des ions H+ : les systèmes tampons

Régulation du pH

Contrôle de l’équilibre acido-basique

Le pH du sang artériel du sujet normal est : - remarquablement stable (pH = ± 0,02 soit pH = ± 5%) grâce

aux tampons- remarquablement constant (pH = 7,40 ± 0,02 soit 41 ± 2 nmol/L d’ions

H+) malgré une agression acide continue grâce à une régulation particulièrement efficace.

NB : - 7,40 = pH basique (pH neutre = 6,8 à 37°C)

- pHintracellulaire < pHextracellulaire (cf Donnan)- limites pH compatible avec la VIE : 6,8 - 7,8 (16-160 nmol/L

H+)

- pHsang veineux < pHsang artériel

a) Acides volatils

volatil peut s’échapper de la solution qui le contient

CO2dissous : - est un acide : CO2d + (H2O) HCO 3- + H+

- est volatil : CO2 CO2d

CO2dissous : - est le seul acide volatil - n’est pas totalement dissocié (pK=6,1) au pH de

l'organisme. - production : ~ 20 000 mmol/j

Origine des ions H+

b) Acides fixes - fixe ne peut s’échapper de la solution qui le contient.

- sont totalement dissociés au pH de l'organisme (se comportent comme des acides forts)

1) Acides fixes 2) Acides fixes organiques

minéraux- XH X- + H+ - YH Y- + H+

- X- n'est pas métabolisable - Y- est métabolisable

- Production : ~ 35 mmol/j - Production : ~ 2000 mmol/j

- ex : acide phosphorique - ex : acide lactique(1ère acidité)

a) Le métabolisme

O2

H+ + anion organique- CO2 (+H2O)

- consommation sur place des ions H+ (pas besoin de transport)

- nécessite O2

N.B. : hypoxie acidose lactiqueaugmentation des lactates

apport de lactate de sodium alcalose lactique

Elimination des ions H+

glucose

2 acide lactique

2 H+ 2 lactate- 6 O2

2 HCO3-

2 CO2 + 2 H2O 4 CO2 + 4 H2O

glycolyseanaérobie(fermentationlactique)

glycolyseaérobie(cycle deKrebs)

b) Le poumon

mécanisme : H+ + HCO3- CO2d CO2

éliminé par le poumon- consomme du bicarbonate

c) Le rein

mécanisme : (CO2)plasma (HCO3-)plasma + (H+)urine

(H+)plasma + (HCO3

-)plasma (CO2)plasma

Bilan : (H+)plasma (H+)urine

NB : (H+)urine est pris en charge par les tampons urinaires (phosphates…) et par NH3.

anhydrasecarbonique

Ions H+

libres

Acide volatil CO2

20 000 mmol/j

Acides fixesnon métabolisés

70 mmol/j

Acides fixesmétabolisés2000 mmol/j

Bilan des ions H+

partiellement

dissocié

Anions organiquesY- (lactate etc.)

CO2

excrété(urines)

H+

urinaire

CO2

non

dissocié

totalement

dissociés

totalementdissociés

HCO3-

2000

mmol/j

2000 mm

ol/jX-

70 mmol/j70 mmol/j

REIN

POUM

ON

dissocié

expiré

20 000 mmol/j

METABOLISME

Bilan des ions H+

Afin d'éviter une production ou une consommation continuelle de

bicarbonate empêchant la stabilité de [HCO3-] :

- le poumon doit éliminer une quantité d'ions H+ égale à celle provenant de la dissociation de CO2dissous.

- le métabolisme doit consommer une quantité d'ions H+ égale à celle provenant de la dissociation des acides fixes organiques normalement métabolisés (~ 2000 mmol/j).

- le rein doit éliminer le reste des ions H+, c’est-à-dire une quantité égale à celle provenant de la dissociation des acides fixes minéraux (~ 35 mmol/j) et des acides fixes organiques non métabolisés (~ 35 mmol/j).

production

CO2

CO2

H+ H+

tamponnéH+

urinesAcidesfixes

CO2

(Pco2)

H+

tamponné

non dissocié

dissocié

CO3H-

transport élimination

génération

consommation

consommation génération

Transport des ions H+

CO2 expiré

TAMPONS

CO3H-

Les systèmes tampons de l’organisme- ne régulent pas le pH, mais tamponnent ses variations- action immédiate

a) Description

1) Le tampon bicarbonate

- c’est un tampon OUVERT

Transport des ions H+

URINE

CO2 CO2dissous HCO3- + H+

POUMON

a pKHCO3-/CO2

1) a = 0,03 (mmol/L) / mmHg

2)

Henderson-Hasselbach :

- tampon principalement EXTRA-CELLULAIRE

2) Les autres tamponsa) MACROMOLECULAIRES tampons fermés (ne peuvent

- cellulaires : protéines pas s'échapper de l'organisme)

- érythrocytaires : hémoglobine

- plasmatiques : protéines (peu important)

s/CO2dissouHCO3

2dissous

-3 K

CO

HCOH

1,6pK s/CO2dissouHCO3

2dissous

3

CO

HCOlog6,1pH

CO22dissous aPCO

b) MICROMOLECULAIRES

dans un secteur fermé de l’organisme

- tampons intra-cellulaires

- tampons osseux

dans un secteur ouvert de l’organisme (VEC)

- phosphates : rôle négligeable dans le milieu intérieur

c) Conclusion : les tampons autres que le bicarbonate sont TOUS fermés et assimilables à un seul tampon fermé A-/AH de pK moyen 6,8.

d) Remarques : 1) Fermé (= "ne peut s'échapper de l'organisme") ≠ Fixe (= "ne peut s'échapper de la solution qui le contient", mais peut s'échapper de l'organisme).

2) Tampon fermé → [A-] + [AH] = constante

b) Importance relative : pouvoir tampon

1) DéfinitionC’est le nombre de meq d’ions H+ libres qu’il faut ajouter (ou retrancher) dans un litre de solution tampon pour faire diminuer (ou augmenter) son pH d’une unité.

2) Mesure

Méthode : TITRATION par adjonction d’acide ou de base

a) adjonction d’un acide fixe (ex : HCl)

en maintenant la concentration [CO2d] de l’acide volatil constante (→ à Pco2 constante)

HCO3-

H+ajouté est tamponné par ou

tampon fermé A-

[H+]ajouté = - [HCO3-] - [A-]

on mesure le pouvoir tampon total (T. ouvert + T. fermés)

(conc.acides fixes) = - ([HCO3-] + [A-])

ΔpH

ClΔ

ΔpH

HΔP.T. ajouté

b) adjonction de l’acide volatil CO2

en maintenant la concentration en acides fixes constante

CO2 HCO3- + H+

[H+]ajouté = [HCO3-]

H+ajouté est tamponné uniquement par les tampons fermés

→ 1) on mesure seulement le P.T. des tampons fermés

2) [H+]ajouté = - [A-]

3) ([HCO3-] + [A-]) = 0

cas général : (conc. acides fixes) = - ([HCO3-] + [A-])

en partie

ΔpH

HCOΔ

ΔpH

HΔP.T. 3ajouté

3) Résultats :

a) Pouvoir tampon des tampons fermés

localisation nature pouvoir tampon(meq d’ions H+/L de plasma)/u.pH

- plasmatique protéines 4*- érythrocytaire hémoglobine 30**- intracellulaires protéines 22***

mesures obtenues par :* titration du plasma in vitro** titration du sang in vitro (plasma en présence d’hématies)*** titration du sang in vivo avant compensation rénale (plasma en

présence du LEC peu tamponné et des tampons intra-cellulaires)

b) P.T. du tampon bicarbonate (ouvert, extra-cellulaire)

P.T. = 45 meq d’ions H+ par litre de plasma / u.pH

NB : à concentration égale, un tampon ouvert est PLUS EFFICACE qu’un tampon fermé.

- Le poumon est capable de réguler le pH en ajustant la concentration en acide volatil [CO2dissous] par un contrôle (cérébral) de la PCO2.

- Le rein est capable de réguler le pH en ajustant la concentration en acides fixes par un contrôle de la concentration [HCO3

-] en bicarbonates grâce à une élimination adéquate de H+ dans les urines :

mécanisme : (CO2)plasma (HCO3-)plasma + (H+)urine

rein

poumon

CO2

3

aP

HCOlog6,1pH

Régulation de l’équilibre acido-basique

anhydrasecarbonique

Elimination urinaire des acides fixes

Rein(cellules tubulaires)

pH

Concentrationen acides fixes

Poumon(contrôle cérébral de la respiration)

PCO2

Régulation du pH

Concentrationen acide volatil

[CO2dissous]

Valeurs normalesLe pH dépend des concentrations en acide volatil [CO2]d et en acides fixes.

Un état acidobasique normal correspond à un ajustement par le poumon de la concentration [CO2]dissous en acide volatil à sa valeur normale, soit 1,2 ± 0,1 mmol/L (→ PCO2 = 39 ± 3 mmHg) et à un ajustement par le rein de la concentration en acides fixes à sa valeur normale conduisant donc à un pH normal, soit 7,40 ± 0,02.On déduit de la relation d'Henderson-Hasselbach que la valeur normale de la concentration [HCO3

-] des bicarbonates est égale à 24 ± 3 mmol/L*

Nous prendrons : pH = 7,40dans le sang artériel : PCO2 = 40 mmHg → [CO2]d = 1,2 ± 0,1 mmol/L

[HCO3-] = 24 mmol/L

*NB : Le laboratoire mesure généralement :[CO2]total = [HCO3

-] + [CO2]d = 25 ± 3 mmol/L