Systèmes tampons Diagramme de Davenport. I. Dupin

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1 Systèmes tampons Diagramme de Davenport I. Dupin

2 Introduction Le fonctionnement normal des cellules requiert un environnement stable et constant. Le ph doit être optimal afin de maintenir l activité maximale des molécules biologiques. ph sanguin = 7.40 ± 0.02 Légèrement basique Le maintien du ph, qui est un des aspects de l'homéostasie, exige une régulation extrêmement fine et qui est triple : 1. physico-chimique 2. pulmonaire 3. rénale 2

3 Introduction Régulation du ph: A court terme (minutes): Systèmes tampons A moyen terme (heures): Ventilation pulmonaire A plus long terme: Rein 3

4 Sommaire 1. Acides et bases en solution aqueuse 2. ph d une solution aqueuse 3. Réactions acide-base: courbe de titrage 4. Les systèmes tampons 5. Diagramme de Davenport et troubles acido-basiques 6. Exemples de situations courantes 4

6 Acides et bases en solution aqueuse Selon Brönsted et Lowry (1923): - Un acide est une espèce chimique susceptible de céder un ou plusieurs protons H + : AH = A - + H + - Une base est une espèce chimique susceptible de capturer un ou plusieurs protons H + : BH + = B + H + Acide et base d un même couple dont dits conjugués: A tout acide (AH ou BH + ) correspond sa base conjuguée A - (ou B) Couples AH/A - et BH + /B 6

7 Acides et bases en solution aqueuse Exemples: 1. CH 3 COOH = CH 3 COO - + H + acide moléculaire base anionique 2. NH 4 + = NH 3 + H + acide cationique base moléculaire 3. H 2 SO 4 = HSO H + HSO 4 - = SO H + H 2 SO 4 est un diacide HSO 4- : espèce amphotère ou ampholyte base pour le couple H 2 SO 4 / HSO 4 - Acide pour le couple HSO 4 - /SO 4 2- Acide HF HCN CO 2, H 2 O HCO 3 - H 3 O + H 2 O Base F - CN- HCO 3 - CO 3 2- H 2 O OH - 7

8 Acides et bases en solution aqueuse Réactions acides-bases: acide 1 + base 2 = base 1 + acide 2 Transfert d un H + de l acide 1 vers la base 2 Exemple: CH 3 COOH = CH 3 COO - + H + NH 4 + = NH 3 + H + CH 3 COOH + NH 3 = CH 3 COO - + NH 4 + acide 1 base 2 base 1 acide 2 8

9 Acides et bases en solution aqueuse Autoprotolyse de l eau: H 2 O + H 2 O = H 3 O + + OH - ou plus simplement: H 2 O = H + + OH - Deux couples: H 3 O + /H 2 O et H 2 O / OH - K e = [H + ] [OH - ] pk e = -log K e, soit Ke= 10 -pke K e est une constante qui ne dépend que de la température. Température ( C) K e 0, , pk e 14,9 14,0 13,3 12,6 9

11 ph d une solution aqueuse Définition: Le ph est un nombre sans unité. Il permet de quantifier le caractère acide ou basique d une solution. ph= -log [H + ], soit [H + ] = 10 ph K e = [H + ] [OH - ] =10-14 à 25 C Solution neutre: autant d H + que d OH - dans l eau [H + ]=[OH - ] = 10-7 ph neutre= -log [10-7 ] =7 solutions neutres solutions acides solutions basiques [H + ]>[OH - ] [H + ]<[OH - ] ph 11

12 ph d une solution aqueuse Attention: Ne pas confondre solution acide et acidose Ne pas confondre solution basique et alcalose ph de certains liquides biologiques: Liquide biologique ph Sang artériel 7,38 7,42 Sang veineux 7,35 7,42 salive 6,8 7,2 ph plasmatique = 7,40 ± 0,02 ph < 7,38 : acidose ph > 7,42 : alcalose Suc gastrique 1,6 1,8 Suc pancréatique 8,0 Liquide céphalo-rachidien 7,9 12

13 ph d une solution aqueuse pka d un couple acide/base: AH = A - + H + Acide fort: sa dissociation dans l eau est totale, il n existe plus de molécules AH dans la solution. Acide faible: sa dissociation dans l eau est partielle, il n est pas entièrement ionisé. Constante d acidité: K a = [A - ] [H + ] [AH] K a ne dépend que de la température pk a = -log K a, soit K a = 10 pka 13

14 ph d une solution aqueuse Relation entre ph et pka: K a = [A - ] [H + ] [AH] [AH] [H + ]= K a [A - ] log [H + ]= log K a + log [AH] [A - ] ph= pka + log [A - ] [AH] 14

16 Réactions acide-base: courbes de titrage Principe: On fait réagir de l acide AH de concentration C a inconnue avec une base forte (ex: OH - ) de concentration C b connue. AH + OH - A - + H 2 O A l équivalence: l espèce chimique à titrer et l'espèce titrante ont été mélangés dans des proportions stoechiométriques. A l'équivalence du titrage, ces deux espèces sont complètement consommées et donc leur quantité de matière est nulle. n a = n b, soit C a V a = C b V b C a = C b V b V a 16

17 Réactions acide-base: courbes de titrage Exemple: AH acide faible de constante d acidité K a AH + OH - A - + H 2 O concentration: C xc [A - ] [A - ] [H + ] K= = = [AH] [OH - ] [AH] [OH - ] [H + ] K a K e K a = 10 pka et K e =10-14 à 25 C K=10 14-pKa Si pk a <11, alors K>>10 3 : la réaction de dosage est quantitative. 17

18 Réactions acide-base: courbes de titrage Pour 0<x<1: AH + OH - A - + H 2 O concentrations initiales: C xc concentrations : (C-xC) 0 xc ph 7 pka E 0,5 1 x [A - ] ph= pka + log = pka + log pour 0<x<1 [AH] x 1-x 18

19 Réactions acide-base: courbes de titrage Pour 0<x<1: AH + OH - A - + H 2 O concentrations initiales: C xc concentrations : (C-xC) 0 xc ph 7 pka E 0,5 1 x Pour x=0,5 (point de demi-équivalence): le ph varie peu par addition modérée d acide ou de base solution tampon 19

21 Les systèmes tampons Définition: Une solution tampon amortit les variations de ph Une solution tampon est une solution donc la composition est égale ou voisine de celle obtenue à la demi-équivalence dans le cas: d un acide faible AH réagissant avec une base forte telle que OH - d une base faible réagissant avec un acide fort tel que H + Ex: acétate de sodium réagissant avec HCl CH 3 COONa + HCl CH 3 COOH + NaCl [H + ] et donc le ph varient peu janvier 2015 Systèmes tampons/diagramme de Davenport

22 Les systèmes tampons Pour x=0,5 (point de demi-équivalence): le ph varie peu par addition modérée d acide ou de base solution tampon ph 7 pka E 0,5 1 x Effet tampon maximal au niveau du pka: ΔpH petit pour Δ[H + ] grand 22

23 Les systèmes tampons Pouvoir tampon (β) : Nombre de moles d acide fort (ou de base forte) qu il faut ajouter à un litre de cette solution pour faire varier le ph d une unité Résulte de la capacité et de la concentration Une solution constitue une bonne solution tampon si son pouvoir tampon est grand. Capacité: La solution tampon est d autant plus efficace si le ph de la solution est voisin du pk a. Exemples: Un tampon peut être utilisé à sa capacité maximale mais avec un petit pouvoir car sa concentration est faible. La capacité du tampon bicarbonate est faible (pk a = 6,1, éloigné de ph=7,4) mais son pouvoir est grand car sa concentration est très importante. 23

24 Les systèmes tampons Pouvoir tampon du plasma: Le pouvoir tampon du plasma peut être mis en évidence par l expérience suivante: 5 gouttes HCl 0.1M 5 gouttes HCl 0.1M eau du robinet, ph 6 plasma, ph 7,4 Le ph passe à 3 Le ph reste à 7,4 24

25 Les systèmes tampons Intérêt des solutions tampons: La plupart des réactions biologiques nécessitent des milieux tamponnés. Deux couples acide/base sont particulièrement importants: Le tampon bicarbonate CO 2, H 2 O/HCO 3 - (aussi noté H 2 CO 3 /HCO 3- ) pka= 6,4 à 25 C, pka=6,1 à 37 C ph sanguin=7,40 = pka + log [HCO 3- ] [CO 2, H 2 0] les ions HCO 3 - sont en excès par rapport au CO 2 dissous Le tampon phosphate H 2 PO 4- /HPO 4 2- Principal tampon intracellulaire 25

26 Les systèmes tampons Tampons fermés vs tampons ouverts: La plupart des réactions biologiques nécessitent des milieux tamponnés. Deux couples acide/base sont particulièrement importants: Tampons fermés (ne sortent pas de l organisme) Masse (acide+base, conjugués)= constante Δ masse acide + Δ masse base=0 Tampons ouverts (sur l environnement) CO 2, H 2 0/HCO 3 - Masse variable: Les poumons éliminent le CO 2 Les reins éliminent les protons, réabsorbent et excrètent les bicarbonates 26

27 Les systèmes tampons Bilan entrée-sortie en protons: Entrée: production d acide par l organisme - CO 2 par combustion des glucides et des lipides - Acide lactique (globules rouges, effort) Sortie: libération d acides par l organisme - CO 2 par la respiration - Elimination d H + par le rein dans les urines 27

29 Diagramme de Davenport et troubles acido-basiques Le principal système tampon de l organisme est le tampon bicarbonate. CO 2, H 2 O/HCO 3 - A 37 C: ph =6,1 + log [HCO 3- ] [CO 2 ] d [CO 2 ] d : concentration en CO 2 dissous La concentration en CO 2 dans le sang est liée à la pression partielle en CO 2 dans les poumons P CO2 [HCO 3- ] ph =6,1 + log soit: [HCO 3- ]= a. P CO2 X 10 ph-6,1 a. P CO2 a: coefficient de Henry, a=0.03 mmol.l -1 si P CO2 est en mmhg 29

30 Diagramme de Davenport et troubles acido-basiques Diagramme de Davenport: graphes donnant l évolution de la concentration en ions hydrogénocarbonates HCO 3 - en fonction du ph: Si P CO2 est maintenue constante: [HCO 3- ]= 0,03. P CO2 X 10 ph-6,1 Famille de Courbes isobare 30

31 Diagramme de Davenport et troubles acido-basiques Si P CO2 varie: [HCO 3- ]= -β. ph + b Δ[HCO 3- ] β= : pouvoir tampon des systèmes fermés (pente de la ΔpH droite d équilibration) et b une constante. 40 [HCO 3 - ] (mmol/l) N 7,1 7,4 7,7 ph Famille de droites d équilibration du CO 2 31

32 Diagramme de Davenport et troubles acido-basiques N: point normal, représentant un état acido-basique normal: [HCO 3- ]= 24 mmol.l -1 et ph=7,40 Isobare passant pas le point normal: isobare normale Droite d équilibration passant par N: droite normale d équilibration (DNE) [HCO 3 - ] (mmol/l) P CO2 =40 mmhg isobare normale N droite normale d équilibration (DNE) 7,1 7,4 7,7 ph 32

33 Diagramme de Davenport et troubles acido-basiques Les troubles acido-basiques: Ils correspondent à une anomalie de la concentration en acides. Troubles d origine respiratoire: anomalie de la concentration en acides volatils et donc de la pression partielle en CO 2 Troubles d origine métabolique: anomalie de la concentration en acides fixes et donc de la concentration en HCO 3-33

34 Diagramme de Davenport et troubles acido-basiques Troubles d origine respiratoire: Variation de la pression partielle en CO 2 (P CO2 ): Si ph : alcalose respiratoire, P CO2 < 36 mmhg (défaut d acides volatils) Si ph : acidose respiratoire, P CO2 > 45 mmhg (excès d acides volatils) [HCO 3 - ] (mmol/l) Acidose respiratoire N P CO2 =40 mmhg Alcalose respiratoire 7,1 7,4 7,7 ph 34

35 Diagramme de Davenport et troubles acido-basiques Troubles d origine métaboliques: Pour P CO2 = constante Si [HCO 3- ] : alcalose métabolique (défaut d acides fixes) Si [HCO 3- ] : acidose métabolique (excès d acides fixes) [HCO 3 - ] (mmol/l) N Acidose métabolique Alcalose métabolique 7,1 7,4 7,7 ph 35

36 Diagramme de Davenport et troubles acido-basiques Troubles d origine respiratoires et métaboliques: bilan Acidose métabolique [HCO 3 - ] (mmol/l) Acidose Alcalose respi mixte métabo N métabo mixte respi Acidose respiratoire Acidose mixte Alcalose métabolique Alcalose respiratoire 10 7,1 7,4 7,7 ph Alcalose mixte 36

37 Diagramme de Davenport et troubles acido-basiques Conditions normales: ph= HCO - 3 =23-28 mmol/l P CO2 = mm Hg 1) Etat acido-basique: normal, acidose, alcalose ph < 7,38 : acidose ph > 7,42 : alcalose 2) Origine du trouble: respiratoire (P CO2 ), métabolique (HCO 3- ) 3) Compensation? respiratoire (P CO2 ), métabolique (HCO 3- ) janvier 2015 Titre de votre présentation

38 Diagramme de Davenport et troubles acido-basiques Acidose respiratoire: P CO2 augmente (ex: P CO2 =60 mm Hg) (on suit la droite tampon) Augmentation P CO2 Augmentation HCO 3 - (mise en jeu du tampon CO 2, H 2 O/HCO 3- ) Compensation éventuelle par les reins: Augmentation HCO 3 - par ré-absorption (on suit la courbe isobare) 1 ph= : acidose compensée Sinon acidose partiellement ou non compensée 38

39 Diagramme de Davenport et troubles acido-basiques Alcalose respiratoire: P CO2 diminue (ex: P CO2 =25 mm Hg) (on suit la droite tampon) Diminution P CO2 Diminution HCO 3 - (mise en jeu du tampon CO 2, H 2 O/HCO 3- ) Compensation éventuelle par les reins: Diminution HCO 3 - par élimination (on suit la courbe isobare) 1 ph= : alcalose compensée Sinon alcalose partiellement ou non compensée 39

40 Diagramme de Davenport et troubles acido-basiques Acidose métabolique: Augmentation H + et donc augmentation consommation de HCO 3 - par le tampon. [HCO 3- ] diminue (ex: [HCO 3- ]=17 meq/l) (on suit la courbe isobare) Compensation éventuelle par les poumons: Diminution P CO2 par hyperventilation (on suit la droite tampon) 1 ph= : acidose compensée Sinon acidose partiellement ou non compensée 17 40

41 Diagramme de Davenport et troubles acido-basiques Alcalose métabolique: Diminution H + et donc diminution consommation de HCO 3 - par le tampon. [HCO 3- ] augmente (ex: [HCO 3- ]=30 meq/l) (on suit la courbe isobare) Compensation éventuelle par les poumons: Augmentation P CO2 par hypoventilation (on suit la droite tampon) 1 ph= : alcalose compensée Sinon alcalose partiellement ou non compensée 17 41

42 Diagramme de Davenport et troubles acido-basiques Récapitulatif: ph < 7,38 : acidose P CO2 > 45 mm Hg Respiratoire [HCO 3- ] < 23 mmol/l Métabolique [HCO 3- ] Compensation métabolique P CO2 Compensation respiratoire ph > 7,42 : alcalose P CO2 < 36 mm Hg Respiratoire [HCO 3- ] > 28 mmol/l Métabolique [HCO 3- ] Compensation métabolique P CO2 Compensation respiratoire janvier 2015 Titre de votre présentation

43 Diagramme de Davenport et troubles acido-basiques Causes possibles d acidose respiratoire: Maladies qui diminuent la ventilation: coma, BPCO, myopathie Causes possibles d acidose métabolique: Maladies qui diminuent HCO 3- : diarrhées, insuffisance rénale Maladies qui augmentent H + : acidocétose diabétique, baisse de tension importante Causes possibles d alcalose respiratoire: Augmentation de la ventilation: hypoxémie, troubles neurologiques, douleur Causes possibles d alcalose métabolique: Diurétiques de l anse Fuite d acides: vomissements 43

45 Diagramme de Davenport et troubles acido-basiques Exemples de situations courantes: 1) Hyperpnée volontaire 2) Exercice physique +/- intense 3) Adaptation à la haute altitude 4) Hypoventilation alvéolaire 5) Anurie 6) Autres profils physiopathologiques 45

46 Exemples de situations courantes Hyperpnée volontaire: Perturbation initiale: ventilatoire P CO2 diminue dans le sang Alcalose respiratoire Pas de compensation métabolique car délais trop courts Etat final: l effet tampon seul du sang intervient Vers 1: sans l effet tampon Vers 2: avec l effet tampon 2 1 Retour à la normale: apnée (rapide) ou réinhalation de CO 2 expiré dans un sac (+ lent) 46

47 Exemples de situations courantes Exercice physique: Perturbation initiale: métabolique Production H + par les muscles Acidose métabolique Conséquence immédiate: Augmentation de la ventilation Exercice léger : acidose métabolique compensée ventilatoire (1) Exercice intense: acidose métabolique décompensée (2) (ph baisse car augmentation ventilation non suffisante) 1 Etat final: décompensation métabolique transitoire car les reins réabsorbent HCO 3 - dans les heures qui suivent 2 47

48 Exemples de situations courantes Adaptation à la haute altitude: Perturbation initiale: ventilatoire Augmentation de la ventilation d origine hypoxique Conséquence immédiate: Alcalose respiratoire Conséquence plus tardive: Compensation métabolique: les reins éliminent HCO 3 - Etat final: alcalose respiratoire compensée métaboliquement Etat normal du résident sain de haute altitude dont le ph est normal. Point normal et DNE déplacés. 1 48

49 Exemples de situations courantes Hypoventilation alvéolaire: Perturbation initiale: ventilatoire 1) Aigue, ex: crise d asthme Hypoventilation aigue P CO2 augmente Pas de compensation immédiate Acidose respiratoire 1 49

50 Exemples de situations courantes Hypoventilation alvéolaire: Perturbation initiale: ventilatoire 1) Aigue, ex: crise d asthme Hypoventilation aigue P CO2 augmente Pas de compensation immédiate Acidose respiratoire 50 2) Chronique, ex BPCO Hypoventilation moindre mais durable P CO2 augmente (mais moins que crise asthme) Réabsorption d HCO 3 - par les reins: [HCO 3- ]>>24 meq/l Acidose respiratoire compensée métaboliquement 1

51 Exemples de situations courantes Anurie: Perturbation initiale:métabolique H + ne sont plus éliminés par les reins Tamponnement par les bicarbonates [HCO 3- ] diminue Acidose métabolique (1) Conséquence immédiate: Augmentation de la ventilation Acidose métabolique compensée respiratoirement (2) (3) Acidose métabolique décompensée (ph diminue) (4) Compensation ventilatoire incomplète puis aggravation jusqu à la mort si pas de dialyse