Equilibre acido-basique Dr K CHATTI, 2010 Population cible Etudiants en 1ère année Médecine Pré-requis Notions de ph, acides, bases, ampholytes Mesure du ph, Physiologie des échanges gazeux respiratoire, Physiologie du glomérule rénal
Introduction Dans les conditions physiologiques, le ph du milieu intérieur est remarquablement stable. Il est égal à 7,40 +/- 0,02. cette stabilité est d importance vitale, car la plupart des enzymes nécessitent une valeur très précise de ph pour leur fonctionnement optimal, c'est-à-dire pour une vitesse adéquate des réactions biochimiques (fig 2.57 p 118, livre 3). Comme ces réactions se produisent dans les cellules, c est essentiellement le ph du milieu intra-cellulaire qu il convient de sauvegarder. Les limites qui peuvent engager le pronostic vital sont un ph < 6,80 et un ph > 7,80. Néanmoins la mesure du ph intracellulaire est difficile et n est pas pratiquable en routine. Ce ph est d autre part en équilibre avec le ph plasmatique qui lui est facilement explorable en routine. Le ph plasmatique dans le sang artériel est égal à 7,40 +/- 0,02 ce qui correspond à une concentration en ions H+ libres de 41+/-2 nmoll -1. La stabilité du ph contraste avec la permanence de la charge acide de l organisme et son irrégularité en rapport avec la périodicité des apports alimentaires, les variations de régime et la variabilté des efforts. On en distingue - La charge en acides volatils, ce groupe est représenté par l acide carbonique H2CO3 ou plus communément représenté par le CO2d (CO2D + H2O H2CO3 < -- > H+ + HCO3-. Le CO2d est un acide faible. Le CO2 est volatil car il est en équilibre au niveau du poumon avec le CO2 alvéolaire. - La charge en acides fixes : chaque jour 50 à 80 mmol.l-1 d ios H+ proviennent des acides fixes. Les acides fixes proviennent du catabolisme des lipides mais surtout des protéines.. Cette stabilité est due à trois systèmes : - le système tampon physico-chimique ouvert et fermé : - le système respiratoire - le système rénal. Le but de ce cours est de faire comprendre les mécanismes de cette stabilité, d autre part d analyser les dysfonctionnements qui peuvent être à l origine d anomalie de l équilibre acido-basique. Objectifs éducationnels 1. Analyser les systèmes tampons physico-chimique ouvert et fermé 2. Expliquer le rôle des poumons et des reins dans la régulation de l équilibre acido-basique. 3. Décrire avec l aide du diagramme de Davenport les différents troubles de l équilibre acidobasique.
Système tampon de l organisme Les systèmes tampons de l organisme ont un rôle fondamental parce qu il agissent de façon immédiate en limitant la variation de ph lors d une agression acide (par exemple un simple repas) l empêchant ainsi d être dangereuse pour l organisme. Classification - Le groupe de tampons ouverts : ainsi appelés parce qu ils peuvent s échapper de l organisme. Ce groupe est représenté par le seul tampon bicarbonate CO3H - /CO2 d. Le bicarbonate est un tampon ouvert en ce sens que d une part l acide CO2 est volatil (élimination pulmonaire)d autre part la base HCO3- peut s échapper en solution de l organisme (élimination rénale). - Le second groupe comprend les autres tampons. Ils sont dits tampons fermés par ce qu ils ne peuvent s échapper de la solution qui les contient. Ils sont essentiellement représentés dans les cellules par les phosphates et les protéines dont l Hb dans les GR. Dans l os par les phosphates et dans le plasma par les protéines. En effet dans le compartiment extracellulaire, essentiellement les phosphates jouent un rôle quantitativement négligeable. Description - les tampons fermés sont représentés essentiellement par les tampons phosphates et les tampons proteines. Les tampons phosphates sont essentiellement extracellulaire (plasmatique et interstitiel). C est la deuxième fonction acide de H3PO4 qui joue le rôle le plus important en tant que ce système tampon grâce à son pk qui est plus proche du ph physiologique. H2PO4- < -->HPO4-- + H+ - Système tampon protéique plasmatique : alpha globuline, alb. Les proteines interviennent dans le sang comme acides faibles. - Système tampon érythrocytaire : oxyhb/ oxyhémoglobunate qui est le tampon érythrocytaire le plus important.
Les tampons fermés sont nombreux. Leurs pk sont suffisamment voisins pour que les zones tampons se recoupent mais suffisamment différents pour que la zone tampon totale soit nettement plus importante que pour un tampon unique. Ainsi sur le comportement acidobasique, l ensemble des tampons fermés est assimilable à un seul tampon fermé, désigné dans la suite par A-/AH, de pk égal à 6,8. Ce système tampon est capable de fixer un ion H+ selon la réaction suivante : - A- + H+ < -- > AH. La relation d HH s écrit donc pour les tampons fermés : ph = 6,8 log [A-]/[AH] et on a [A-]+[AH]=c - Le tampon bicarbonate est le seul tampon ouvert. Il est principalement extra-cellulaire. Il est capable de fixer un ions H+ suivant la réaction réversible suivante : HCO - 3 + H + CO 2d + H 2 O. le CO2 dissous est en équilibre avec le H2CO3 L équation de dissociation de l acide CO 2 s écrit [HCO - 3 ][H + ] / [CO 2 ]d = k CO2. D où [H+] = KCO2 [HCO3-]/[CO2 d ] : A 37 C la K CO2 = 10-6,1 moll -1 D où : ph = 6,1 log[hco3-]/[co2 d ] relation d Henderson-Hasselbach le caractère ouvert de ce tampon se traduit par : [HCO3-] + [CO2d] n est pas une constante Le tampon bicarbonate a une importance physiologique particulière : d une part le caractère ouvert lui confère une plus grande efficacité et d autre part les concentrations de l acide CO2d et du sel HCO3- sont régulées de manière indépendante par les poumons (qui peuvent éliminer ou retenir le CO2) et par les reins (qui peuvent éliminer le bicarbonate dans les urines ou le retenir dans le plasma). Ainsi l organisme peut déterminer de manière très précise la valeur du rapport [HCO3-
]/[CO2d], ce qui détermine également le rapport [A-]/[AH] pour les tampons fermés puisque la relation d HH appliquée aux tampons fermés et ouvert permet d écrire : ph =6,1+ log[hco3-]/[co2 d ] = 6,8+ log [A-]/[AH] Les systèmes tampons de l organisme sont capables d atténuer les variations de ph en rapport avec l agression acide continuelle, de manière que ces variations ne soient pas dangereuses pour l individu. Ils ne permettent pas à terme le maintien du ph rigoureusement stable. Ils ne constituent en effet qu un volant d inertie servant à minimiser les variations de ph, mais ne pouvant pas les empêcher totalement. En effet la fixation des ions H+ par les systèmes tampons est saturable. En effet la fixation d un ion H+ entraîne obligatoirement la diminution de la concentration en A- et/ou HCO3-. Ainsi, la stabilité du ph à terme ne peut être assurée que par l élimination de la charge acide à laquelle il est soumis et ainsi la régulation du ph. Deux organes et deux seulement sont capables d éliminer la charge acide et donc de préserver le pouvoir tampon de l organisme : le poumon et le rein. Régulation de l équilibre acido-basique Le poumon est capable d éliminer un ion H+ selon la réaction : H+ + HCO3- CO2 + H2O. cette élimination ne peut cependant se faire qu au prix de l élimination simultanée d une molécule HCO3-. Le rein est capable d extraire un ion H+ du plasma et de le faire passer dans l urine. Pour cela un ion H+ repris au tampon (A- ou HCO3-) qui l avait pris en charge, se fixe sur un ion HCO3- pour donner une molécule CO2. Cette molec CO2 entre dans le rein dont certaines cellules sont capables de dissocier le CO2 en HCO3- et H+. l ion H+ prduit dans la cellule rénale est excrété dans l urine. Tandisque l ion HCO3- est réabsorbé dans le plasma. Ceci permet de régénérer le bicarbonate consommé. Ainsi contrairement au poumon le rein élimine les ions H+ sans consommation de bicarbonate. L ion H+ excrété dans l urine ne reste pas libre (sinon l urine deviendrait très acide et responsable de brulures urinaires) mais il est pris en charge, pour un tiers environ de la quantité
excrétée par le tampon phosphate et les deux tiers par l ammoniac NH3 synthétisé dans le rein. La tampon phosphate se trouve en grande quantité dans le rein. L importance fondamentale du rein et du poumon dans l équilibre acido-basique ne provient pas seulement de ce que ces deux organes sont capables d éliminer la charge acide mais aussi de ce qu ils sont capables de réguler l élimination de cette charge. Ainsi toute tendance à l augmentation de la PCO2 entraîne une hyperventilation par stimulation de centres nerveux respiratoires de manière à assurer la constance de la concentration en CO2 d et donc du stock d acide volatil. Le rein quant à lui assure la constance d acides fixes. Au total, bien que l organisme est incapable de distinguer, une fois tamponné, un ion H+ provenant de la dissociation d un acide volatil CO2 ou d un acide fixe, la stabilité de l équilibre acido-basique est définie par la stabilité du ph et de la concentration en bicarbonates plasmatiques. Donc par la stabilité des concentrations en acides fixes et en acide volatil C02. Cette stabilité nécessite à long terme que le poumon élimine la seule charge acide liée à l acide volatil et le rein élimine la seule charge acide liée à l excès d acides fixes.
Diagramme de Davenport Ainsi on a plusieurs paramètres à prendre en compte pour la régulation de l équilibre acidobasique : les bicarbonates sanguins, la PCO2 dans le sang et le ph. L intérêt du diagramme proposé par Davenport est de réunir ces différents paramètres en inscrivant le ph en abscisse et le taux de bicarbonates en ordonnés sur différents isobares représentant la PCO2 calculés à partir de l équation d HH. Les points définissant un état acidobasique normal est une zone correspondant à un ph et à une concentration en bicarbonates compris dans l intervalle normal (respectivement [7,38-7,42] et [21,5 26,5] mmol.l -1. Pour des raisons didactique, nous réduirons cette zone à un point normal N défini arbitrairement par ph = 7,40, HCO3-=24 mmol.l -1 et donc une PCO2=40 mmhg. La relation d HH montre que la relation entre les bicarbonates et le ph n est pas univoque : une variation donnée de ph n entraîne pas une variation déterminée de la concentration de bicarbonates. En effet une variation de ph signifie une variation du contenu de la solution en acides. Mais selon que la variation affecte les acides fixes ou l acide volatil CO2 ou les deux, la variation du taux de bicarbonates n est pas la même. Il est commode de représenter sur le diagramme de Davenport la variation de bicarbonates en réponse à une modification du ph induite par une variation de la concentration de bicarbonates en réponse à une modification du ph induite par une variation de concentration d une seule des deux classes d acides (fixes ou volatils). 1. Variation isolée de la concentration en acides fixes Cette situation correspond à celle d un trouble métabolique pur. La modification du ph est obtenue en ajoutant un acide fixe (par exemple HCl) ou une base (par exemple NaOH). [HCO3-] = a PCO2 10 (ph 6,1). Cette relation montre que la concentration de bicarbonate varie en fonction du ph suivant une courbe exponentielle correspondant à une PCO2 donnée. Cette courbe est appelée isobare. Pour diverses valeurs de PCO2 on obtient une famille de courbes exponentielles qu on appelle isobares. Chaque isobare correspond à une valeur précise de PC02. L isobare normale est l isobare passant par le point N. l isobare normale sépare le plan du diagramme de Davenport en
deux zones. Au dessus et à gauche vers le ph faibles il s agit de la zone de l acidose respiratoire (PCO2 > 40 mmhg). En bas et à droite vers les ph élevés, il s agit de la zone de l alcalose respiratoire (PCO2 < 40 mmhg) 2. Variation isolée de la concentration en acide volatil Cette situation correspond à un trouble respiratoire pur. La modification du ph est obtenue par une variation de PCO2. L ion provenant de la dissociation de l acide volatil est pris en charge uniquement par les tampons fermés. Augmenter ou diminuer la PCO2 (ou [CO2d]) revient à se déplacer sur la courbe de titration de ceux-ci et uniquement sur la zone linéaire de cette courbe correspondant à la zone tampon. Cette droite de titration représente la diminution du ph en fonction d ions H+ ajoutés par litre de solution qui est représentée par l augmentation d ions HCO3- puisque ces ions proviennent uniquement de la dissociation de CO2. Par inversion des axes pour se ramener dans le DD on obtient encore une droite dénommée droite d équilibration du CO2dont la pente est égale et opposée au pouvoir tampon des tampons fermés. Par définition la droite Normale d Equilibration DNE est la droite d équilibration passant par le point N. L équation de la DNE est : [HCO3-] = 24 s(ph 7,40) Où s désigne le pouvoir tampon des tampons fermés. La DNE sépare le plan du DD en deux zones : au dessous et à gauche vers les ph faibles, il s agit de la zone des acidoses métaboliques (excés de concentrations en acides fixes) ; au dessus et à droite vers les ph élevés, il s agit de la zone de l alcalose métabolique.
En cas de diminution de la concentration en tampons fermés par exemple anémie sévère, les droites d équilibration deviennent plus horizontales. isobare normale droite normale d équilibration
Troubles de l équilibre acido-basique Lorsqu il y a un trouble de l équilibre acidobasique, dont se rend compte par une étude des gaz du sang artériel, on sait que les systèmes tampons physico-chimique ont déjà intervenu, mais sont insuffisant pour se ramener au point N 1. Troubles d origine respiratoire Ils correspondent à une anomalie de la concentration en acide volatil CO2 et donc à une anomalie de la PC02. - Etiologie : Cette variation provient nécessairement d une variation de la ventilation. o Les acidoses respiratoires sont dues à un défaut d élimination : hypoventilation secondaire à une anomalie respiratoire ou neurlogique. o Les alcaloses respiratoires sont en rapport avec une hyperventilation : le plus souvent secondaire à une hypoxie (diminution de la pression partielle en O2). - Représentation sur le diagramme de Davenport Nous considérons ici le cas de l acidose respiratoire définie par une augmentation de la PCO2. La représentation de l alcalose est tout à fait analogue. CO2 + H20 < -- HCO3- + H+ L excès de CO2 dissous tend à déplacer l équation vers la droite, d où la diminution du ph. Les ions H+ sont pris uniquement par les tampons fermés A-/AH. HCO3- Augmentation de [HCO3-] CO2 + H+ + A- diminution de [AH] En conséquence, le point représentatif de l état acido-basique du patient se déplace sur la droite normale d équilibration, vers les ph acides. Au bout d un certain temps 12h à quelques jours, les reins, s ils sont sains, compensent l augmentation de la concentration en acide volatil en augmentant la concentration e HCO3. Le point représentatif de l état acidobasique se déplace donc au dessus de la DNE. Le déplacement se fait sur l isobare
correspondant à la PCO2. Si la compensation est complète se traduisant par un ph normal. La guérison du trouble quant à elle consiste à normaliser à la fois la concentration en acides volatils, en bicarbonate et en ph. 2. Les troubles d origine métabolique Ils correspondent à une anomalie de la concentration en acides fixes. - Etiologies : o Les acidoses Elles peuvent être dues à un défaut de l élimination rénale des acides fixes (exp. Insuffisance rénale) ou à une augmentation de la concentration en acides fixes (exp. Acidocétose diabétique). o Les alcaloses peuvent être dues à un apport excessif de base, le plus souvent iatrogène ou à une perte excessive d acides fixes comme en cas de vomissements importants. - Représentation sur le diagramme de Davenport Nous considérons ici le cas de l acidose métabolique. La représentation de l alcalose est tout à fait analogue. L excès des ions H+ provenant de la dissociation des acides fixes en excès est tamponné à la fois par les tampons ouverts, expliquant la chute de bicarbonates et par les tampons fermés. Le CO2 formé est par la suite éliminé par les poumons. + HCO3- CO2 -- --> diminution de HCO3- XH X- + H+ + A- AH -----> diminution de A-
Le trouble primaire est une acidose métabolique pure. Le point représentatif de l état acido-basique du patient sur un diagramme de Davenport se déplace sur l isobare normale vers les ph acides. Ce segment de courbe représente alors le lieu des acidoses métaboliques pures. La compensation pulmonaire est représentée par une hyperventilation à l origine d une diminution de la PCO2. Le point représentatif se déplace sur la DNE au dessous de l isobare normale. Si la compensation est totale, le ph peut être ramené à 7,40. Et schématiquement, on a
Conclusion L équilibre acido-basique est fondamental pour l homéostasie du milieu interne. La première ligne de défense pour maintenir cet équilibre est représentée par les systèmes tampons physico-chimiques. Mais ces tampons physiologiques ne sont pas la seule ligne de défense ; en effet leur action est complétée par la régulation respiratoire (élimination du CO2) et la régulation rénale (élimination de H+). On a donc, plusieurs paramètres à prendre en compte pour la régulation acido-basiques : les bicarbonates (HCO3-), le ph et la pression partielle en CO2. L intérêt du DD est de réunir ces différents paramètres en inscrivant le ph en abscisse et le taux de bicarbonates en ordonnées sur différents isobares représentant la PCO2 calculés à partir de l EHH. L état normal est représenté par un ph = 7,40, une [HCO3-] de 24mmolL-1 et une PCO2=40mmHg. Quand le ph descend en dessous de 7,40 on parle d acidose. Quand il monte on parle d alcalose. Une grande diversité de perturbations biologiques peut entraîner des troubles de l équilibre acidobasique résumé dans le tableau : Métabolique Respiratoire Mixte Acidose ph diminue ph diminue ph diminue [HCO3-] diminue [HCO3- augmente [HCO3-] diminue PC02 diminue PC02 augmente PC02 augmente Alcalose ph augmente ph augmente [HCO3-] augmente PC02 diminue PC02 parfois augmente peu [HCO3-] diminue