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Cours biochimie BTS_ABM2 2016-2017 C. Larcher 6- Équilibre hydrominéral – / 12 –

EXPLORATION DU MÉTABOLISME HYDROÉLECTROLYTIQUE

1. Physiologie du métabolisme hydro-électrolytique .................................................................................... 11.1. Compartiments liquidiens (secteurs hydriques) ........................................................................... 1

1.1.1. Définition des compartiments liquidiens ......................................................................... 11.1.2. Besoins et couverture : balance hydrique ........................................................................ 3

1.2. Composition biochimique des compartiments liquidiens ............................................................. 31.2.1. Ionogramme ou bilan électrolytique ................................................................................ 31.2.2. Trou anionique ................................................................................................................. 41.2.3. Besoins journaliers en électrolytes ................................................................................... 4

1.3. Échanges d’eau et d’électrolytes .................................................................................................. 41.3.1. Pressions .......................................................................................................................... 41.3.2. Diffusions ......................................................................................................................... 5

1.4. Formation de la lymphe ................................................................................................................ 62. Régulation hormonale de l’équilibre hydroélectrolytique ........................................................................ 6

2.1. ADH ou vasopressine ................................................................................................................... 62.2. Système Rénine-Angiotensine-Aldostérone ................................................................................. 7

3. Désordres de l’équilibre hydroélectrolytique ............................................................................................ 93.1. Œdèmes ........................................................................................................................................ 9

3.1.1. Œdèmes dus à des hypoprotéinémies ............................................................................... 93.1.2. Œdèmes dus à l’insuffisance cardiaque ........................................................................... 9

3.2. Syndrome de déshydratation ........................................................................................................ 93.2.1. Pertes extra-rénales .......................................................................................................... 93.2.2. Pertes rénales ................................................................................................................... 9

4. Analyses au laboratoire de biologie médicale ........................................................................................ 104.1. Dosage du sodium et du potassium ............................................................................................ 10

4.1.1. Potentiométrie : électrode sélective aux ions sodium ou potassium (95 %) .................. 104.1.2. Photométrie de flamme (5 %) ........................................................................................ 10

4.2. Dosage du BNP et diagnostic de l’insuffisance cardiaque ......................................................... 11

Hydro- : eau Solution électrolytique : solution contenant des ions mobiles et électriquement neutre. Na+ - K+ - Cl-

1. Physiologie du métabolisme hydro-électrolytique 1.1. Compartiments liquidiens (secteurs hydriques)

1.1.1. Définition des compartiments liquidiens L’eau est le liquide de l’organisme humain. Elle représente 60 à 70 % de la masse

corporelle totale d’un organisme humain. Un compartiment est un volume délimité par une frontière. Ils contiennent de l’eau donc des liquides d’où le qualificatif de « liquidien ».

Un compartiment liquidien est un rassemblement de volumes contenant des solutions de composition identique.


La membrane cellulaire délimite : • le compartiment intracellulaire (40 % MCT1) (ensemble des cytosols des

cellules) • le compartiment extracellulaire (20 % MCT) qui se divise en deux fractions

séparées par la paroi des vaisseaux sanguins : o le liquide interstitiel et la lymphe canalisée : les lymphes (15% MCT) o le plasma sanguin (5% MCT)

Tableau 1 : répartition hydrique dans l’organisme Les volumes des différents compartiments liquidiens peuvent être déterminés par la diffusion

de différentes substances : • Si la substance franchit la paroi vasculaire (endothélium) et la membrane plasmique,

on pourra mesurer l’eau totale. Ex : urée, éthanol • Si la substance franchit la paroi vasculaire (endothélium), mais ne pénètre pas dans la

cellule, on pourra mesurer le compartiment extracellulaire. Ex : mannitol, inuline. • Si la substance ne traverse pas la paroi vasculaire et reste dans le milieu

extracellulaire, on pourra alors mesurer le volume plasmatique. Ex : bleu Evans.

Légende : 1 : hématie -------------------------- 2 : leucocyte 4 : vaisseau sanguin 3 : paroi vasculaire----------------- 5 : cellules 6 : vaisseau lymphatique A : COMPARTIMENT INTRACELLULAIRE B : liquide (lymphe) interstitiel --- C : lymphe canalisée = MILIEU INTÉRIEUR D : plasma ---------------------------

Figure 1 : schématisation des différents compartiments liquidiens

1 MCT : masse corporelle totale

Matière sèche 40 % 28 L

Eau totale 60 % 42 L


Eau du compartiment intracellulaire 40 % 28 L

Eau du compartiment extracellulaire 20 % 14 L


Eau intracellulaire 40 % 28 L

Liquide interstitiel et

lymphe 15 % 10,5 L

Plasma

5 % 3,5 L

1

2 3

4

5

D

A B C

65


1.1.2. Besoins et couverture : balance hydrique

Entrées en eau (mL) Sorties en eau (mL)

Boissons 1000-1500 Urines 1000-1500 En

trées

in

sens

ible

s Aliments 700 Respiration pulmonaire 400

Perte

s in

sens

ible

s

Eau métabolique (respiration) 300

Peau (transpiration) 500

Selles 100

Total (entrées) 2000-2500 Total (sorties) 2000-2500

Tableau 2 : balance hydrique

Le terme « insensible » qualifie les entrées ou les sorties en eau de faible volume en situation normale et non régulées.

1.2. Composition biochimique des compartiments liquidiens

1.2.1. Ionogramme ou bilan électrolytique Les compartiments liquidiens contiennent de l’eau dans laquelle se trouvent des ions

inorganiques ou organiques, atomique ou moléculaire. L’ionogramme correspond à la somme des concentrations des différents ions d’un

compartiment. Les compartiments sont électriquement neutres : 𝑐𝑎𝑡𝑖𝑜𝑛𝑠 = 𝑎𝑛𝑖𝑜𝑛𝑠 , concentrations exprimées en mEq·L-1

Le système international prévoit la mole comme unité de quantité de matière, mais dans le cas de l’ionogramme l’unité est l’équivalent (Eq) qui correspond à une concentration en charge.

C(mEq·L-1) = C(mmol·L-1) ´ charge de l’ion

Tableau 3 : répartition des principaux ions dans les compartiments intra- et extra-cellulaires L’ionogramme plasmatique complet comprend : sodium, potassium, calcium, magnésium,

chlorures, hydrogénocarbonates, phosphates, protéines, acides organiques (autres). L’ionogramme plasmatique simplifié comprend : sodium, potassium, chlorures,

hydrogénocarbonates.

Compartiment intracellulaire

Compartiment extracellulaire : milieu intérieur

Liquide intracellulaire

Liquide interstitiel Lymphe canalisée Plasma

CATIONS mEq/L Sodium Na+

Potassium K+

Calcium Ca2+

Magnésium Mg2+

10 160 4 38

144 4 3 2

142 4 3 2

TOTAL en cations 212 153 151 ANIONS mEq/L Chlorures Cl-

Hydrogénocarbonates HCO3-

Phosphates H2PO4-, HPO4

2- Protéines Autres

6 8

140 55 3

114 29 2 2 4

103 26 2 16 4

TOTAL en anions 212 153 151


Figure 2 : schéma de répartition des principaux ions

dans les compartiments intra- et extra-cellulaires 1.2.2. Trou anionique

Concentration en mEq·L-1 PLASMA CATIONS 149 Sodium Na+

Potassium K+

Calcium Ca2+

142 4 3

ANIONS 129 Chlorures Cl-

Hydrogénocarbonates HCO3-

103 26

Tableau 4 : ionogramme plasmatique simplifié La somme des anions de l’ionogramme simplifié est nettement inférieure à celle des

cations. On parle de trou anionique (environ 20 mEq·L-1). Le trou anionique peut s’accentuer lors d’une acidose métabolique (diminution des

hydrogénocarbonates). CO2 + H2O

H2CO3

HCO3

- + H+

Exemple : diabète sucré non équilibré avec une acidocétose (forte augmentation des corps cétoniques : acide acétoacétique et acide β hydroxybutyrique avec libération de protons qui réagissent avec HCO3

-). 1.2.3. Besoins journaliers en électrolytes

Sodium : < 2 g (moins de 6 g de sel – NaCl – par jour pour un adulte) Potassium : < 3,5 g Chlorures : 0,8 g

http://www.who.int/mediacentre/news/notes/2013/salt_potassium_20130131/fr/

1.3. Échanges d’eau et d’électrolytes

1.3.1. Pressions a. Pression hydrostatique

La pression hydrostatique est la pression exercée par l’eau ou un liquide sur une paroi ou une membrane.

b. Pression osmotique L’osmose correspond au transfert d’eau du milieu le moins concentré (hypotonique)

vers le milieu le plus concentré (hypertonique) jusqu’à égalité des concentrations (isotonie) de part et d’autre d’une membrane semi-perméable.

Une membrane semi-perméable est une membrane qui ne laisse passer que l’eau.

LYM

PHES

CO

MPA

RTI

MEN

T IN

TRA

CEL

LULA

IRE

PLA

SMA

Na+ Na+

Cl- Cl-

Na+

Cl-

K+ K+ K+

PROTÉINES PROT


La pression osmotique représente la force exercée par une solution sur la membrane qui l’entoure.

Figure 3 : phénomène d’osmose et pression osmotique

La pression osmotique 𝜋 est fonction de la concentration en solutés.

𝜋 = 𝑛𝑉 𝑅𝑇 = 𝐶𝑅𝑇

n : nombre de particules dans la solution V : volume (L), T température (K) R : constante des gaz parfaits = 8,31 kPa.L.mol-1.K-1 C : osmolarité (nombre de particules par litre de solution) (osm·L-1)

Plus la concentration en solutés est grande, plus la pression osmotique est grande. L’osmolarité est la concentration molaire de toutes les espèces actives en solutions en

osmol·L-1. Un litre de solution qui contient 1 mol de glucose développe une pression osmotique de

1 osmol·L-1. Un litre de solution qui contient 1 mol de NaCl (1 mol de Na+ et 1 mol de Cl–)

développe une pression osmotique de 2 osmol·L-1. Dans l’organisme, les différents compartiments sont en équilibre osmotique. L’isoosmolarité correspond à une pression osmotique de 300 mosmol·L-1.

Pressionosmotiqueplasmatique=2([Na+]+[K+])+[urée]+[glucose]

P = 2 ´ (142+4) + 5 + 5 = 300 mosmol·L-1

Calcul de la concentration d’une solution saline (NaCl) isotonique au plasma : P = [Na+] + [Cl-] = 2 [NaCl] = 300 mosmol·L-1 [NaCl] = 150 mmol·L-1

Concentration massique = [NaCl] ´ MNaCl = 150.10-3 ´ 58 » 9 g·L-1

c. Pression oncotique La pression oncotique est la pression osmotique liée aux protéines.

1.3.2. Diffusions La diffusion correspond au transfert de solutés du milieu le plus concentré vers le milieu

le moins concentré jusqu’à égalité des concentrations de part et d’autre d’une membrane perméable.

Une membrane perméable est une membrane biologique ou artificielle qui laisse passer l’eau et les molécules diffusibles (molécules liposolubles, gaz, urée,…)

En général, les macromolécules (MM > 100 000 g·mol-1) comme les protéines et l’amidon ne peuvent pas diffuser.

Dans le cas des petites molécules hydrophobes ou hydrophiles non chargées (CO2, O2, N2, urée), on parle de diffusion simple.

Pour des molécules de taille plus importante et hydrophiles, la diffusion dans le sens du gradient de concentration, peut se faire par :

• diffusion passive : par canal spécifique ou non spécifique • diffusion facilitée : par un transporteur.


Diffusion simple transmembranaire

Diffusion passive par canal spécifique ou non

Diffusion facilitée par transporteur de type uniport

Tableau 5 : les différents modes de diffusion 1.4. Formation de la lymphe

Pôle artériel Lymphe interstitielle Pôle veineux P hydrostatique (en kPa) 4,3 0 2,1 P oncotique (en kPa) 3,5 0,4 3,5

La filtration se produit au niveau du pôle artériel donc l’eau quitte les capillaires. La réabsorption d’une partie de l’eau qui a filtré a lieu au niveau du pôle veineux.

Chaque jour dans l’organisme, environ 20 litres d’eau plasmatique filtrent au niveau du pôle artériel des capillaires et alors que 16 litres sont réabsorbés au niveau du pôle veineux.

Cette différence de 4 litres est à l’origine de la lymphe interstitielle.

Figure 4 : pressions et mouvements d’eau

2. Régulation hormonale de l’équilibre hydroélectrolytique Les apports en eau doivent être équilibré avec les sorties : 2 à 2,5 L par jour. Les apports (entrées) sont régulés grâce au système nerveux central (hypothalamus) qui régule par

la sensation de soif. Les pertes (sorties) sont régulées au niveau du rein (régulation de la réabsorption d’eau) sous

contrôle de la vasopressine (ou hormone anti-diurétique ; ADH) et par le système rénine-angiotensine-aldostérone.

2.1. ADH ou vasopressine La réabsorption d’eau au niveau du canal collecteur est facultative et est régulée par la

vasopressine ou ADH (hormone anti-diurétique ; neurohormone sécrétée par la neurohypophyse). En absence d’ADH, il n’y a pas de réabsorption facultative d’eau au niveau du canal collecteur à l’origine de la polyurie observée dans le cas d’un diabète insipide. L’ADH régule la réabsorption d’eau dans le milieu intérieur et donc la volémie.

Pôle artériel Pôle veineux

1,2 kPa

1,0 kPa

4 L non réabsorbés / jour Résultante des pressions Mouvements d’eau dus

à la P hydrostatique et à la P oncotique

Filtration Réabsorption


Figure 5 : réabsorption régulée par la vasopressine au niveau des cellules du canal collecteur Source : manuel de Biologie humaine TSMS (O. d’Andria, collection Figarella)

2.2. Système Rénine-Angiotensine-Aldostérone C’est un « système » qui fait intervenir deux glandes endocrines et plusieurs hormones et

enzymes. Ce système a pour rôle de réguler l’équilibre hydrominéral : natrémie et kaliémie, la volémie et la pression artérielle.

Une diminution de la volémie (et de la pression artérielle) ou de l’osmolarité (hyponatrémie), déclenche la sécrétion de rénine. La rénine est synthétisée par l’appareil juxta-glomérulaire au niveau rénal.

La rénine est une enzyme synthétisée par le rein au niveau de l’appareil juxtaglomérulaire (zone située à côté du glomérule). La rénine est une endoprotéase. Elle clive l’angiotensinogène produite par le foie en angiotensine I.

Angiotensinogène /é1213

angiotensine I

L’angiotensine I est un peptide inactif qui est hydrolysé par l’enzyme de conversion en angiotensine II. L’enzyme de conversion est synthétisée au niveau des poumons (capillaires pulmonaires).

Angiotensine I 31456373891:3/;291

angiotensine II

L’angiotensine II est un peptide actif qui augmente la pression artérielle et qui induit la synthèse d’aldostérone.

La réabsorption de sodium au niveau du tubule contourné distal est régulée par l’aldostérone. L’aldostérone permet une régulation de la natrémie (hypernatrémiante).

Figure 6 : action de l’aldostérone sur les cellules du tubule contourné distal

Source : manuel de Biologie humaine TSMS (O. d’Andria, collection Figarella)


Figure 7 : schéma de régulation du système Rénine-Angiotensine

http://www.memobio.fr/html/bioc/bi_re_sra.html

Figure 8 : schéma de régulation de la volémie et de la natrémie par l’ADH (a) et par le SRAA (b)

http://cikgurozaini.blogspot.fr/2011/05/one-of-most-important-aspects-of.html


3. Désordres de l’équilibre hydroélectrolytique 3.1. Œdèmes

3.1.1. Œdèmes dus à des hypoprotéinémies La chute de la concentration en protéines conduit à une diminution de la pression

oncotique et à une diminution de la réabsorption d’eau au pôle veineux des capillaires. L’eau reste dans le milieu interstitiel sous forme de lymphe excédentaire. 3.1.2. Œdèmes dus à l’insuffisance cardiaque

Lors de l’insuffisance cardiaque, le cœur ne peut plus propulser le sang efficacement dans les artères. Il y a une baisse importante de la pression artérielle à la sortie du cœur et une incapacité à accueillir le retour veineux.

PA = VES ´ FC ´ RP Le sang s’accumule dans les veines et provoque une augmentation de la pression

hydrodynamique au niveau des capillaires par engorgement veineux. Il y a formation d’un œdème.

Le marqueur de l’insuffisance cardiaque est le peptide natriurétique de type B (BNP). Le BNP est une hormone secrétée par les cardiomyocytes ventriculaires en réponse à une surcharge tensionnelle du ventricule gauche. Donc en cas d’IC, comme le cœur éjecte mal le sang, le ventricule est alors distendu et le taux de BNP augmente.

Le BNP agit afin de contrebalancer l’augmentation des pressions cardiaques par différents processus :

• Vasodilatation périphérique (diminution des résistances périphériques). • Augmentation de la filtration glomérulaire : action diurétique. • Diminution de la réabsorption rénale du sodium : action natriurétique. • Inhibition du système rénine-angiotensine-aldostérone.

Il a un effet global hypotenseur. 3.2. Syndrome de déshydratation

Le syndrome de déshydratation correspond à l’ensemble des symptômes se caractérisant par la présence d’une hémoconcentration chez un individu, s’accompagnant d’une hyponatrémie et d’une hypovolémie.

Les indicateurs de la déshydratation sont l’hématocrite et la protéinémie (albuminémie). Les déshydratations sont dangereuses pour les nourrissons et les personnes âgées. Il y a risque d’hypovolémie avec hypotension (choc hypovolémique) qui peut aboutir au coma

et à la mort. Il existe deux grandes familles de causes pouvant entraîner une déshydratation

extracellulaire : 3.2.1. Pertes extra-rénales

• Natriurèse basse (< 20 mmol/24 h) • Pertes digestives : diarrhée aigue, vomissements • Pertes cutanées : coup de chaleur, brûlures étendues, fièvre, mucoviscidose (sudation

excessive) 3.2.2. Pertes rénales

• Natriurèse élevée (> 20 mmol/24 h) • Diabète (polyurie-polydipsie) • Prise excessive de diurétiques • Maladie d’Addison (défaut de production surrénale d’aldostérone qui entraîne une

hyponatrémie)


4. Analyses au laboratoire de biologie médicale 4.1. Dosage du sodium et du potassium

4.1.1. Potentiométrie : électrode sélective aux ions sodium ou potassium (95 %) Ces électrodes possèdent une membrane sensible et sélective pour un ion en

particulier. Lorsque l’électrode spécifique est immergée dans l’échantillon, sa membrane développe un potentiel dû à une réaction sélective et spontanée. Pour mesurer ce potentiel, il faut disposer de l’électrode indicatrice spécifique et d’une électrode de référence. 4.1.2. Photométrie de flamme (5 %)

La photométrie d’émission atomique mesure l’émission d’un rayonnement électromagnétique UV ou visible due à la désexcitation d’atomes qui ont été excités par l’énergie apportée par le transfert à une température très élevée (introduction de l’échantillon dans une flamme). La mesure quantitative de l’émission permet des dosages.

Figure 9 : schéma de principe d’un spectrophotomètre de flamme

A-PulvérisateurB-BrûleurC-SystèmeoptiqueD-Détecteurhttp://nte-serveur.univ-lyon1.fr/pfcp/repucp/spectroemission/spectroemissiontexte.html

• Le pulvérisateur se compose de 2 tubes capillaires dont les orifices sont très voisins : l’un introduit la solution à doser, l’autre de l’air comprimé servant à pulvériser la solution sous forme de brouillard.

• Le brûleur crée une flamme produite par un mélange méthane-air (température ~ 2200 K). Cette température est suffisante pour fournir l’énergie qui amène les atomes à un état excité immédiatement supérieur au niveau fondamental, ce qui produit la raie la plus intense qui est en général la raie de résonance.

• Le système optique permet d’éliminer les émissions lumineuses d’éléments indésirables pour conserver uniquement les raies de l’élément à doser. On place, entre la flamme et le système détecteur, un filtre interférentiel (longueurs d’ondes pour le sodium : l = 589 nm pour potassium : l = 766,5 nm).

• Le détecteur est une cellule photoélectrique qui produit un courant amplifié proportionnel à l’intensité lumineuse reçue.


4.2. Dosage du BNP et diagnostic de l’insuffisance cardiaque Le BNP existe sous une forme de réserve, le pré-pro-BNP (134 aa) clivé en pro-BNP (108

aa), lui-même clivé en NT-proBNP (1-76 ; partie N terminale) biologiquement inactif et en BNP (77-108 ; 32 aa) actif.

Nature du prélèvement : tube sec ou EDTA ou héparine Méthode de dosage : 1/4 des dosages utilisent le principe de la CMIA : Chemiluminescent

Microparticle ImmunoAssay Tampon TRIS : trishydroxyméthylaminométhane (pH entre 6,5 et 9,7)

Tampon MES : 2-(N-morpholino)Ethane Sulfonic Acid

Figure 10 : dosage du BNP par le kit ARCHITECT BNP de chez Abbott http://www.ilexmedical.com/files/PDF/BNP_ARC.pdf

Figure 11 : production de lumière par modification chimique de l’acridinium

Publication dans Analyst, 2009,134, 131-137 : Using acridinium ester as the sonochemiluminescent probe for labeling of protein (Yongquan Lai, Yuanyuan Qi, Jian Wang and Guonan Chen)

TRIS

MES


ARCHITECT BNP est un dosage immunologique en deux étapes pour la détermination quantitative du peptide natriurétique humain de type B (BNP) dans le plasma humain prélevé sur EDTA utilisant la technologie de dosage immunologique microparticulaire par chimiluminescence (CMIA).

Figure 12 : principe de la technique de chimiluminescence à base de microparticules

a : mise en contact de l’échantillon et les microparticules paramagnétiques recouvertes d’Ac anti-BNP

b : liaison du BNP présent dans l’échantillon aux microparticules recouvertes d’anticorps anti-BNP.

c : après lavage, ajout du conjugué d’anticorps anti-BNP marqué à l’acridinium d : lavage puis ajout des solutions de pré-activation et d’activation La réaction chimiluminescente résultante est mesurée en unités relatives de lumière (URL). Il existe une relation directe entre la quantité de BNP présente dans l’échantillon et les URL

détectées par le système optique ARCHITECT i System.

Tableau 6 : valeurs de référence (BNP et NT-proBNP)

Tableau 7 : seuils à considérer pour le BNP et le NT-proBNP pour exclure ou confirmer une dyspnée aigue d’origine cardiaque

VPN : valeur prédictive négative VPP : valeur prédictive positive http://www.biomnis.com/referentiel/liendoc/precis/BNP.pdf

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