ph, équilibre Acide/Base

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1 ph, équilibre Acide/Base Introduction Le ph est une constante essentielle à réguler dans l organisme. Les enzymes, afin de fonctionner efficacement dans le corps humain, doivent fonctionner à un ph optimal. I ph, acides, bases A. Le ph 1. Généralités Le ph est une constante qui doit rester extrêmement stable, la simple alimentation perturbe l équilibre acidobasique, tout comme les réactions métaboliques, du fait d une production importante de protons (Quantité de protons produites par jour 80 mmol) et de CO 2 (13 à mmol). En général, le ph au niveau sanguin est maintenu au tour de 7,4 (±0,02). Au niveau intracellulaire, il est maintenu en général à 7. Une cellule musculaire possède un ph de 6,9. Remarque : Un ph sanguin de 7,2 correspond déjà à une acidémie, malgré le ph alcalin ; pathologiquement, cela peut répondre d une acidose. L organisme met en place des mécanismes afin de s opposer aux variations de ph. Ce sont les systèmes tampons. Ce système existe par exemple pour le plasma, c'estàdire qu en l ajout d un acide dans une solution de plasma, ce dernier permet de maintenir le ph de la solution à 7.4 au lieu de le voir descendre. 2. Régulation du ph dans l organisme humain L état acidobasique de l organisme est défini par la concentration en protons au niveau sanguin ou cellulaire. La concentration est normalement maintenue à 40 nmol/litre. L organisme doit continuellement faire face à d énormes phénomènes de fluctuation du ph. Le maintien du ph, qui est un des aspects de l homéostasie, exige donc une régulation extrêmement fine, il existe Trois différents systèmes de contrôle : Ø Physicochimique. Ø Pulmonaire. Ø Rénal. Il permet la régulation du ph à travers des urines acides ou alcalines. Au niveau sanguin (Système physicochimique), ce sont les systèmes Acide carboniquebicarbonate et Protéines qui agissent tels des systèmes tampons afin de maintenir l homéostasie. Du CO 2 intervient dans ce système, on comprend que la ventilation pulmonaire assure l élimination de cet acide faible volatil. à La respiration a une influence directe sur le ph sanguin.

2 B. L équilibre acidobasique Il dépend de la concentration en H + et en OH, dans une solution à ph neutre, le produit ionique de l eau est de 10 14, c est la constante de dissociation de l eau. A 24 C et à ph = 7, les concentrations en ions OH et en H + sont équivalentes (10 7, soit 0.1 micromolaire). À température ambiante, l eau est très peu dissociée, sa conductivité est donc très faible, l équilibre s écrit ainsi : H 2 O + H 2 O à H HO H 3 O + étant l ion hydroxonium (C est une notation du proton solvaté). D après la dissociation de l eau (H 2 O ßà H + + OH ), on obtient par la Loi d action de Masse : K = H$. OH ' H ( O = 55,5 mol/l Ce qui donne à température et ph ambiants, une concentration molaire de l eau de 55.5 mol / litre, ce qui veut dire qu une molécule sur 555 millions est dissociée, ce qui implique une constante K très faible, la «concentration» de l eau est constante. On définit alors le produit ionique de l eau à 25 C par : [OH ]. [H + ] = On définit alors la neutralité par un ph de 7, correspondant aux concentrations : [OH ] = [H + ] = Définition : Toute solution électrolytique aqueuse contenant 10 7 mol/l H + et autant de OH est neutre (Ne pas confondre neutralité (ph) et électroneutralité (Charge)). Une solution possédant une plus forte concentration en protons est acide ; une solution possédant une plus forte concentration en OH est basique. C. Notions d acide et de base, la constante d équilibre Ka Un acide est un donneur de protons, là où la base capte les protons. Les formes acide et basique d un même corps sont en équilibre dans des proportions caractérisées par la constante d équilibre Ka de la réaction chimique : Ka = H$. A ' AH L acidité se mesure par le ph en rapport avec la concentration en H + libres dans le milieu. Cette concentration est très faible dans la plupart des milieux biologiques, de l ordre de 10 7 à 10 8 mmol/l. ph = log H $ = log 1 [H $ et H$ = ] 10 'ph Le ph, cologarithme de [H + ] varie en sens inverse de cette concentration. Pathologie : Dans un organisme, le ph diminue en cas d acidose et augmente en cas d alcalose. Le ph augmente d une unité lorsque la concentration en H + est divisée par 10. De plus une variation de 0.1 ph correspond à une variation de 23% de la concentration. Le ph peut varier de 1 à 15, il devient négatif lorsque que la concentration en protons est supérieure à 1.

3 D. Notions d acide fort ou faible Un acide fort donne facilement beaucoup de protons, sa constante Ka est élevée, il est très dissocié, et son pka est faible. A l inverse, un acide faible est très peu dissocié, la majeure partie des molécules reste sous forme combinée avec peu de protons libérés. La constante Ka sera faible et le pka élevée. La force d un acide ou d une base est caractérisée par son pka, qui correspond au ph pour lequel 50% de l acide est dissocié : pka = log Ka Équation de HendersonHasselbach : ph = pka + log Base Acide Ø Si l acide est à 50% de dissociation, [base] = [acide], donc le ph est égal au pka. D après la loi d action de masse, la concentration en protons libres favorisent leur recombinaison, et inversement, on peut alors déduire que : Ø Si le ph est plus alcalin que le pka, l acide va se retrouver majoritairement sous la forme dissociée. Ø Si le ph est plus acide que le pka, l acide sera majoritairement sous la forme combinée. Un acide est d autant plus fort que son Ka est fort, donc que son pka est faible. En outre, plus un acide est fort, plus l équilibre de la solution est déplacé vers la forme dissociée de l acide. Plus une base est forte, plus l équilibre de la solution est déplacé vers la forme combinée de cette base. Lorsque l acidité est croissante, le Ka augmente et le pka diminue. Lorsque la basicité est croissante, le Ka diminue et le pka augmente. E. Diagramme de prédominance On appelle Diagramme de prédominance la représentation graphique délimitant les domaines de concentration. Si le ph est supérieur au pka, la solution est majoritairement basique, si le ph est inférieur à ce pka, la solution est majoritairement acide. A plus ou moins 1 autour du pka, on considère la coexistence des deux espèces. La concentration en H + étant très faible dans le sang, le ph est d usage. Le CO 2 dissout dans le sang s hydrate dans les hématies, réaction accélérée par la présence d une enzyme AC (Anhydrase Carbonique). Il se forme ainsi de l acide carbonique H 2 CO 3 selon la réaction : CO 2 + H 2 O à H 2 CO 3 H 2 CO 3 à H + + HCO 3 Cette réaction est en équilibre selon la loi de masse. On peut écrire cette relation sous forme logarithmique depuis Henderson et Hasselbach : ph = pka + log NaHCO N H ( CO N Le ph du sang dépend ainsi du rapport bicarbonate/acide carbonique, et par conséquent de la concentration en protons. Le ph du sang artériel est légèrement alcalin, il est compris entre 7.38 et 7.43.

4 F. Acidité titrable ou potentielle et acidité réelle 10 ml de Solution décimolaire (= concentration de 0.1 mol/l) d HCl et 10 ml de solution décimolaire d acide acétique seront toutes deux neutralisées par 10 ml de solution décimolaire de soude. Les deux solutions d acide sont dans cet exemple toutes deux décimolaires, elles sont toutes deux capables de mettre en solution 0.1 mole/ litre d H +. C est ici que se distinguent l acidité titrable, prenant en compte la totalité des ions H + libres ET libérables de la solution (Permet de déterminer la quantité de soude nécessaire à la neutralisation) de l acidité réelle, définie directement par l équation du ph. G. La normalité Une solution est dite normale lorsqu elle contient sous forme libre ou libérable une mole d ions H + /litre. Il y a donc identité sur la normalité entre une solution décinormale d acide acétique et décinormale d acide chlorhydrique, qui sont donc capables de libérer autant de protons. II Systèmes tampons A. Principe de fonctionnement Compte tenu de la très faible quantité d ions H + présents, l addition de très faibles quantités d acide dans de l eau fait varier le ph de manière massive : 1 mmol d acide fort apporte 10 3 H + soit fois plus que n en contient un litre d eau et le ph passe de 7 à 3. La constance du ph étant une nécessité biologique, le milieu intérieur contient des systèmes tampons dont le but est de minimiser les variations de ph face à une agression acide ou basique donnée. Il s agit d un système associant généralement un acide faible et un sel de cet acide qui agira telle une base afin de se combiner avec les protons. B. L exemple du tampon bicarbonate de sodium acide carbonique 1. Principe H 2 CO 3 ßà H + + HCO 3 NaHCO 3 ßà Na + + HCO 3 H 2 CO 3 est formé majoritairement. Na + + HCO 3 est formé majoritairement. Le sel se trouve essentiellement sous forme dissociée. L acide faible par contre est essentiellement sous forme combinée. Ce qui veut dire que la dissociation du sel permet de libérer des acides carboniques qui peuvent alors se combiner avec les protons du milieu afin de stabiliser le ph. La [Acide] qui intervient dans la loi d action de masse correspond à la totalité des Acides présents dans le milieu, qu ils proviennent du sel ou de l acide. 2. En cas d ajout de l acide chlorhydrique HCl ßà H + + Cl è H + + HCO 3 ßà H 2 CO 3 NaHCO 3 ßà Na + + HCO 3 Na + + Cl ßà NaCl

5 Le fonctionnement du système tampon correspond en fait à un échange standard d acide et de sel : on remplace un acide fort par un acide faible et le sel du tampon par un sel de l acide fort rajouté. La grande différence toutefois, c est que l acide faible étant beaucoup moins dissocié, la quantité d H + libres sera minorée. Par exemple, une variation de ph de 0.1 unités au lieu de 4 en l absence de tampon. C. Solution tampon, définition C est une solution constituée par un mélange d acide faible et de sa base conjuguée, et dont le ph varie peu si on ajoute des quantités modérées d acide et de base forts. Remarque : La dilution d un système tampon diminue son pouvoir tampon, mais ne modifie pas le ph (L acide est autant dilué que la base). D. Le pouvoir tampon C est l efficacité du système. Le pouvoir sera d autant plus fort que la variation de ph sera faible pour une agression donnée. Les deux principaux facteurs conditionnant ce pouvoir sont : Ø La masse de tampon disponible. L influence de la masse de tampon découle directement de la loi d action de masse, la variation de ph est cinq fois plus importante pour une quantité de tampon cinq fois plus faible. Ø L écart entre le ph de la solution et le pka du système. Autour du pka, le tampon est efficace, puisque le ph varie peu. Si l on part d un ph acide et que l on ajoute progressivement une base à une solution qui comporte un système tampon (O u inversement), le ph varie de cette manière, on parle de Courbe de Titration : III La régulation ventilatoire du ph plasmatique A. Généralités On l étudie à partir de diagrammes, qui nous prouvent que l augmentation de P CO2 entraine l augmentation de la ventilation, afin de compenser. Au même titre, la ventilation augmente lors d une Acidémie. B. Les centres respiratoires 1. Localisation Au niveau du cerveau, des motoneurones localisés dans le pont de Varole (Au dessus du bulbe rachidien) et dans le bulbe rachidien. Il existe deux noyaux essentiels au niveau du bulbe rachidien, un GRV (Groupe Respiratoire Ventral) et un GRD (GR Dorsal). Ils innervent les muscles intercostaux et le muscle diaphragme via le nerf Phrénique (Innervant le Diaphragme).

6 2. Fonctionnement La contraction du diaphragme permet d augmenter le volume pulmonaire, on parle d inspiration passive. Lors du relâchement des muscles, c'estàdire l expiration passive, les poumons diminuent de volume et l air sort. Les neurones du centre inspiratoire bulbaire génèrent spontanément des trains de potentiels d action (environ 12 fois par minute), qui vont se propager via la moelle épinière et activer les motoneurones des muscles respiratoires. 3. Détection des variations Les variations plasmatiques de ph et de la P CO2 sont détectées par les chémorécepteurs de la paroi de certaines artères : Ce sont des corpuscules aortiques sous la crosse aortique et des corpuscules carotidiens à l embranchement de la carotide commune. Il existe également des chémorécepteurs centraux, localisés dans le bulbe rachidien au voisinage du centre respiratoire, ils sont responsables de 70% de la réponse du centre respiratoire. Ces récepteurs agissent par diffusion du CO 2 à travers la barrière hématoencéphalique qui va alors réagir avec de l eau afin de former des protons qui vont pouvoir être reçus par les chémorécepteurs. IV La régulation rénale du ph plasmatique A. Principe Un excès d acidité entraine un excès de Bicarbonates. Ces acides fixes vont être pris en charge par le rein. Lors d une acidose, plus de protons vont être sécrétés par les reins (Dans l urine) afin de reconstituer des bicarbonates. De plus on synthétise en grande majorité l ammoniac NH 3 (Synthétisé par une Glutaminase) afin d éliminer les protons sous forme de NH 4 + (Ammoniaque). En cas d une acidose aiguë, la sécrétion de NH 4 + est normale, en cas d acidose chronique, l organisme est capable de s adapter et de produire plus de NH 4 + sur le plus long terme. De plus, l excrétion de NH 4 + sera d autant plus élevé que le ph sera faible. B. Le ph intracellulaire Il varie avec le ph plasmatique. Cette variation, lors d une acidose dans le cas présent, va entrainer : Ø Une stimulation de la sécrétion acide (Rein dans l urine). Ø Une augmentation de la régénération des bicarbonates. Ø Une augmentation de l excrétion acide (Urine vers le dehors). Les modifications de la P CO2 influencent également le ph intracellulaire.

7 V L aldostérone C est une hormone produite par la corticosurrénale mise en jeu afin d entrainer une rétention hydrosodée au niveau du rein. Elle n est pas effective par stimulation directe par l acidose, mais sa production provient des modifications de kaliémie induites. Mécanisme : Lors de l acidose, la concentration intracellulaire en protons va augmenter, ce qui va entraîner le déplacement du potassium à l extérieur de la cellule (La cellule devant conserver son électroneutralité), qui va alors se retrouver dans le milieu extracellulaire. à Hyperkaliémie. Or, c est l hyperkaliémie qui stimule la production d Aldostérone. Cette hormone va stimuler la pompe à protons (ADPase) et la pompe Na + /K + (ATPase). Conclusion Dans le poumon, l expiration du CO 2 permet d éliminer les protons, cette élimination nécessite la consommation de HCO 3. Ce mécanisme permet de réguler le stock d acide volatil à court terme. Au niveau des reins, l élimination d un proton entraine avec elle la régénération d un HCO 3 consommé lors du tamponnement. De plus, les HCO 3 filtrés sont réabsorbés.