Cours du Jeudi Soir Biophysique 27/11/2014

Cours du Jeudi Soir Biophysique 27/11/2014 ALI BELLAMINE

Plan du cours I. Solutions et compartiments liquidiens II. Contrôle et troubles de l hydratation III. Transports IV. Electro-diffusion et équilibre de Donnan

Composition du corps humain en eau Schématiquement, on distingue 3 compartiments : Volume Extracellulaire (VEC) composé de : Volume plasmatique : c est le sang Volume interstitiel : c est le liquide dans lequel baignent les cellules Volume Intracellulaire (VIC) Volume Plasmatique Volume Interstitiel Volume Intracellulaire

Composition du Sang Le sang est divisé schématiquement en 2 compartiments : Eau plasmatique : c est l eau plasmatique qui contiendra tous les solutés, elle est composé de : Protides : il s agit des protéines situées dans l eau plasmatique D eau dans laquelle baigne réellement les solutés Les Globules rouges Globules rouges Protides Eau On définit l hématocrite : Ht = V globules V sang Ainsi, on a : V eau plasmatique = 1 Ht. V sang

Quelques définitions Concentration molaire Quantité de soluté pour 1L d eau plasmatique. Dans le sang : C molaire = n i V eau plasmatique = c molale. φ Concentration équivalente C eq = Σ anions/cations c i z i Concentration molale Quantité de soluté pour 1L d eau. Dans le sang : C molale = n i = C molaire V eau φ Fraction aqueuse φ = V eau V eau plasmatique

En pratique : calcul du volume d un compartiment Les solutés se répartissent différemment dans l organisme : Volume Extracellulaire Volume Plasmatique Volume total Na* Albumine* Urée* Mannitol Eau* On fait l hypothèse qu un soluté se répartie dans l intégralité du compartiment de façon homogène, le volume calculé sera alors qualité de volume fictif. * : soluté marqué car présent de façon endogène

En pratique : calcul du volume d un compartiment Que se passe t-il lorsqu un injecte une quantité Q de soluté à un individu? 1. Le soluté se diffuse de façon, supposée, homogène dans son compartiment de prédilection de volume noté V 2. Une partie du soluté est filtré par le rein et est excrété dans les urines, nous noterons cette quantité excrété Q e 3. On a alors une répartition d une quantité Q Q e de soluté dans un volume V, la concentration du soluté dans le compartiment est donc : C = Q Q e V On a donc : V = Q Q e C Attention, C est une concentration molale.

En pratique : calcul du volume d un compartiment Note : Pour calculer le volume d un compartiment, il est donc nécessaire de mesurer la concentration du soluté dans ce compartiment. Seul le compartiment plastique nous est accessible, c est donc le seul dans lequel on peux mesurer une concentration, on peux donc calculer uniquement le volume extracellulaire, plasmatique et total. On peux toutefois déduire le volume intra-cellulaire en connaissant le volume extra-cellulaire et le volume total : V total = V IC + V EC De la même façon, on peux calculer le volume interstitiel connaissant le volume extra-cellulaire et le volume plasmatique V EC = V eau plasmatique + V tissu interstitiel Certains solutés sont déjà présent dans l organisme, on utilise alors une version marqué du soluté. Celleci se comporte comme la version non marqué mais est mesuré séparément, tout se passe donc comme si on utilisait un soluté non présent dans l organisme. Si on utilise un soluté déjà présent dans l organisme, on peux calculer le volume en s intéressant à sa Q Q variation de concentration, on a donc V = e C final C initial

Bases pour bien comprendre les troubles de l hydratation Composition ionique simplifiée du corps humain : IC On admet que : Ni le sodium, le potassium et le chlore ne peuvent traverser la membrane Le stock de potassium reste constant (hors cas exceptionnel), celui de Sodium est constamment adapté afin de réguler le bilan hydrique L urée traverse librement la membrane, on dit qu il est non osmotiquement efficace Les solutés osmotiquement efficaces exercent une pression sur la paroi pour faire en sorte que à tout moment Osm eff IC = Osm eff EC EC K + Na + Cl Urée Cl Urée Osm eff = Osm Osm non eff

Reflets de l état d hydratation de l organisme Hydratation extracellulaire Quantité d eau dans le compartiment extracellulaire Le sodium peut varier de façon naturelle, par conséquent s intéresser à la natrémie ne permet pas d apprécier le volume extracellulaire. On s intéresse alors à la volémie efficace, il s agit de la pression artériel, reflet indirect du volume extracellulaire Note : la pression artériel dépend du bon fonctionnement cardiovasculaire d un individu, l organisme peut donc réagir à tord Hydratation cellulaire Quantité d eau dans le compartiment cellulaire Le stock de potassium est constant dans le volume extracellulaire, on peux donc mesurer son volume en mesurant le concentration e potassium intracellulaire On ne sait pas mesurer une telle concentration Toutefois, on sait que Osm eff IC = Osm eff EC Donc : 2 Na + EC = 2 K + IC Stock K+ Soit K + IC = Na + EC V IC = Na + EC La natrémie est donc un reflet de l hydratation extracellulaire Note : dans le cas d une déplétion potassique il ne faut plus considérer le potassium comme constant

Comment l organisme répond à un trouble de l hydratation? 1. Déroulement de l évènement causant le trouble : Surcharge hydrique Déficit hydrique Déficit sodée Surcharge sodée Déplétion potassique 2. Régulation instantanée des volumes par phénomène d osmose : Passage d eau à travers la membrane pour rééquilibrer les osmolalités efficaces 3. Trouble hydro-sodé établie : modification des volumes normaux des compartiments, entraine le déclanchement des boucles de régulations : BCBH et BCBS 4. Les boucles de régulations n arrivent pas à surmonter le trouble, celui-ci persiste donc

Comment l organisme répond à un trouble de l hydratation? Le diagramme de PITTS

Comment l organisme répond à un trouble de l hydratation? BCBH Boucle de régulation du bilan hydrique Variable d ajustement : le stock hydrique Objectif : rétablir l hydratation cellulaire Note : si une hypovolémie efficace est très importante, elle peux faire intervenir le BCBH

Comment l organisme répond à un trouble de l hydratation? BCBS Boucle de régulation du bilan sodé Variable d ajustement : le stock sodé Objectif : rétablir l hydratation extracellulaire

Formules à retenir Stock K + = Constante hors déplétion potassique Osm eff = Osm Osm non eff souvent Osm eff = Osm [Urée] Osm eff 2 Na + EC, attention si glucose en grande quantité Osm eff 2 Na + EC + glucose EC Na + EC = Stock Na+ V EC = Stock K+ V IC = K + IC = Stock Na+ +Stock K + V total Savoir jongler avec les formules ++

Ex : augmentation du stock hydrique sans variation du stock sodé

Ex : augmentation du stock sodé sans variation du stock hydrique

Mécanismes de transport des molécules Transport des solutés Diffusion simple Flux électrique Transfert actif Diffusion facilitée par une protéine canal, un transporteur, endocytose, exocytose Osmose Filtration Transport des solvants

Transport des solutés Diffusion simple Du à l agitation thermique La molécule se déplace du compartiment où elle est le plus concentré vers celui où elle l est le moins On note la diffusion d un compartiment 1 vers 2 : D 12 ou j 12 Loi de Fick : D 12 = k. S. Δc avec Δc = c 1 c 2 Flux électrique Les particules chargés négativement sont attirées vers les compartiments chargés positivement et inversement Je vous fait grâce de la partie mathématique

Transport des solvants Osmose Du aux molécules non osmotiquement efficaces, c est à ne traversant pas la paroi Celles-ci effectuent des choc sur la paroi, qui aura pour effet de créer une pression C est la pression osmotique La pression osmotique a pour effet d attirer l eau vers le compartiment qui l exerce Q osm = R. T. L H. S. Δc osm En notant Δ π = RTc osm on a Q osm = L H. S. Δc osm Filtration Du à la différence de pression hydraulique entre 2 compartiment Cela a pour effet d attirer l eau vers le compartiment ayant la plus faible pression hydraulique Q F = L H. S. ΔP Lorsque les 2 s appliquent, on a un flux résultant : Q UF = Q F Q osm = L H. S. (ΔP Δπ)

En pratique : phénomène Starling ΔP variable le long du capillaire Car les capillaires exercent une forte resistance à l écoulement du sang Δπ constant le long du capillaire Δπ constant le long du capillaire Car la perte d eau plasmatique est négligeable.

En pratique : filtration glomérulaire ΔP constant le long du capillaire Car les capillaires exercent une faible resistance à l écoulement du sang Δπ constant le long du capillaire Δπ variable le long du capillaire Car la perte d eau plasmatique est importante, il y a alors une concentration des osmoles efficaces.

Le potentiel d équilibre ionique Potentiel d équilibre ionique : ΔV = V 2 V 1 = 26mV z i. ln C 2 C 1 = 60 mv z i. log( C 2 C 1 ) à T = 36 C Supposons des ions Na + seuls (chose impossible pour cause d électroneutralité), répartis de la façon suivante, initialement neutre : le sodium va migrer vers 2 Na + Une fois que le sodium a migré, il a crée une différence de potentiel qui fera que du sodium reviendra vers 1 - + Mais cela ne sera pas assez fort pour empêcher les j d concentrations de varier car le plus électrique est Na + 100 50 plus faible que le flux diffusif j e 120 30 1 2 1 2 Toutefois si on avait imposé un flux électrique au début de l expérience plus fort, le compartiment n aurait pas perdu de sodium car tout le sodium perdu par diffusion aurait été - + récupéré. j d Il s agit du potentiel d équilibre ionique. Na + 120 30 j e j d 1 2

La genèse du phénomène Donnan Etape 1 : au début il n y avait aucunes protéines Na + 120 120 Cl 120 120 1 2 Diffusion des solutés de part et d autres de la membres.

La genèse du phénomène Donnan Etape 2 : puis un jour, vint une protéine Pr 5 10 Na + 120 + 50 120 j d Cl 120 120 1 2 En arrivant, la protéine est accompagné d ions pour assurer son électro-neutralité. Elle crée un flux diffusif, indirectement, car elle ne traverse pas la membrane.

La genèse du phénomène Donnan Etape 3 : à peine la sodium ayant traversé la membrane, les problèmes commencèrent - + Pr 5 10 j d Na + 120 + 49 120 + 1 j e Cl 120 120 j e 1 2 Un différence de potentiel apparait à chaque mouvement d ion par rupture, infime, de l electroneutralité. Cela est vite rattrapé par la différence de potentiel générée et donc flux électrique qui la corrige, mais cela entraine d autres mouvements d ions.

La genèse du phénomène Donnan Etape 4 : tout le monde finit par se mettre d accord - + Pr 5 10 j d Na + 159 131 j e Cl 109 131 1 2 Un état d équilibre est trouvé, il s agit d un état où tous les ions sont à l équilibre, c est-à-dire que leurs flux électrique annule leurs flux électrique. Dans cet unique cas, le potentiel de membrane est égale au potentiel d équilibre ionique de tous les ions. On est à l équilibre de Donnan. j e j d

Les équations de Donnan A l équilibre de Donnan on a alors : z Cation 2 Cation 1 = z Anion 1 Anion 2 =r (rapport de Donnan) V 2 V 1 = 60 z log C 2 C 1 Δπ = R. T. Δc osm