Equilibre acido-basique 1. CONTRÔLE DE L’EQUILIBRE ACIDO-BASIQUE Généralités Origine des ions H+ Elimination des ions H+ Transport des ions H+ : les systèmes tampons Régulation du pH Thierry PETITCLERC Biophysique du milieu intérieur PCEM1 – Université Paris 6

Contrôle de l’équilibre acido-basique Le pH du sang artériel du sujet normal est : - remarquablement stable (DpH = ± 0,02 soit pH = ± 5%) grâce aux tampons - remarquablement constant (pH = 7,40 ± 0,02 soit 41 ± 2 nmol/L d’ions H+) malgré une agression acide continue grâce à une régulation particulièrement efficace. NB : - 7,40 = pH basique (pH neutre = 6,8 à 37°C) - pHintracellulaire < pHextracellulaire (cf Donnan) - limites pH compatible avec la VIE : 6,8 - 7,8 (16-160 nmol/L H+) - pHsang veineux < pHsang artériel

Origine des ions H+ a) Acides volatils volatil peut s’échapper de la solution qui le contient CO2dissous : - est un acide : CO2d + (H2O) HCO 3- + H+ - est volatil : CO2 CO2d CO2dissous : - est le seul acide volatil - n’est pas totalement dissocié (pK=6,1) au pH de l'organisme. - production : ~ 20 000 mmol/j

Acides fixes 2) Acides fixes organiques minéraux b) Acides fixes - fixe ne peut s’échapper de la solution qui le contient. - sont totalement dissociés au pH de l'organisme (se comportent comme des acides forts) Acides fixes 2) Acides fixes organiques minéraux - XH X- + H+ - YH Y- + H+ - X- n'est pas métabolisable - Y- est métabolisable - Production : ~ 35 mmol/j - Production : ~ 2000 mmol/j - ex : acide phosphorique - ex : acide lactique (1ère acidité)

Elimination des ions H+ a) Le métabolisme O2 H+ + anion organique- CO2 (+H2O) - consommation sur place des ions H+ (pas besoin de transport) - nécessite O2 N.B. : hypoxie acidose lactique augmentation des lactates apport de lactate de sodium alcalose lactique

glycolyse anaérobie glycolyse aérobie (fermentation 2 acide lactique glucose 2 acide lactique 2 H+ 2 lactate- 6 O2 2 HCO3- 2 CO2 + 2 H2O 4 CO2 + 4 H2O glycolyse anaérobie (fermentation lactique) glycolyse aérobie (cycle de Krebs)

b) Le poumon c) Le rein mécanisme : H+ + HCO3- CO2d CO2 éliminé par le poumon - consomme du bicarbonate c) Le rein mécanisme : (CO2)plasma (HCO3-)plasma + (H+)urine (H+)plasma + (HCO3-)plasma (CO2)plasma Bilan : (H+)plasma (H+)urine NB : (H+)urine est pris en charge par les tampons urinaires (phosphates…) et par NH3. anhydrase carbonique

Bilan des ions H+ expiré CO2 Acide volatil CO2 20 000 mmol/j non expiré dissocié Acide volatil CO2 20 000 mmol/j partiellement HCO3- dissocié POUMON dissocié Acides fixes non métabolisés 70 mmol/j X- Ions H+ libres totalement 70 mmol/j H+ urinaire 70 mmol/j dissociés REIN excrété (urines) 2000 2000 mmol/j mmol/j Acides fixes métabolisés 2000 mmol/j totalement dissociés CO2 METABOLISME Anions organiques Y- (lactate etc.)

Bilan des ions H+ Afin d'éviter une production ou une consommation continuelle de bicarbonate empêchant la stabilité de [HCO3-] : - le poumon doit éliminer une quantité d'ions H+ égale à celle provenant de la dissociation de CO2dissous. - le métabolisme doit consommer une quantité d'ions H+ égale à celle provenant de la dissociation des acides fixes organiques normalement métabolisés (~ 2000 mmol/j). le rein doit éliminer le reste des ions H+, c’est-à-dire une quantité égale à celle provenant de la dissociation des acides fixes minéraux (~ 35 mmol/j) et des acides fixes organiques non métabolisés (~ 35 mmol/j).

Transport des ions H+ production transport élimination CO2 expiré (Pco2) CO2 CO2 non dissocié CO2 CO3H- CO3H- consommation génération dissocié H+ tamponné H+ tamponné H+ H+ Acides fixes urines consommation génération TAMPONS

Transport des ions H+ Les systèmes tampons de l’organisme - ne régulent pas le pH, mais tamponnent ses variations - action immédiate a) Description 1) Le tampon bicarbonate - c’est un tampon OUVERT URINE CO2 CO2dissous HCO3- + H+ POUMON a pKHCO3-/CO2

- cellulaires : protéines pas s'échapper de l'organisme) 1) a = 0,03 (mmol/L) / mmHg 2) Henderson-Hasselbach : - tampon principalement EXTRA-CELLULAIRE 2) Les autres tampons a) MACROMOLECULAIRES tampons fermés (ne peuvent - cellulaires : protéines pas s'échapper de l'organisme) - érythrocytaires : hémoglobine - plasmatiques : protéines (peu important)

b) MICROMOLECULAIRES dans un secteur fermé de l’organisme - tampons intra-cellulaires - tampons osseux dans un secteur ouvert de l’organisme (VEC) - phosphates : rôle négligeable dans le milieu intérieur c) Conclusion : les tampons autres que le bicarbonate sont TOUS fermés et assimilables à un seul tampon fermé A-/AH de pK moyen 6,8. d) Remarques : 1) Fermé (= "ne peut s'échapper de l'organisme") ≠ Fixe (= "ne peut s'échapper de la solution qui le contient", mais peut s'échapper de l'organisme). 2) Tampon fermé → [A-] + [AH] = constante

b) Importance relative : pouvoir tampon 1) Définition C’est le nombre de meq d’ions H+ libres qu’il faut ajouter (ou retrancher) dans un litre de solution tampon pour faire diminuer (ou augmenter) son pH d’une unité. 2) Mesure Méthode : TITRATION par adjonction d’acide ou de base

a) adjonction d’un acide fixe (ex : HCl) en maintenant la concentration [CO2d] de l’acide volatil constante (→ à Pco2 constante) HCO3- H+ajouté est tamponné par ou tampon fermé A- [H+]ajouté = - [HCO3-] -  [A-] on mesure le pouvoir tampon total (T. ouvert + T. fermés) D (conc.acides fixes) = -  ([HCO3-] + [A-])

en maintenant la concentration en acides fixes constante b) adjonction de l’acide volatil CO2 en maintenant la concentration en acides fixes constante CO2 HCO3- + H+ [H+]ajouté =  [HCO3-] H+ajouté est tamponné uniquement par les tampons fermés → 1) on mesure seulement le P.T. des tampons fermés 2) [H+]ajouté = -  [A-] 3)  ([HCO3-] + [A-]) = 0 cas général : D (conc. acides fixes) = -  ([HCO3-] + [A-]) en partie

localisation nature pouvoir tampon 3) Résultats : a) Pouvoir tampon des tampons fermés localisation nature pouvoir tampon (meq d’ions H+/L de plasma)/u.pH - plasmatique protéines 4* - érythrocytaire hémoglobine 30** - intracellulaires protéines 22*** mesures obtenues par : * titration du plasma in vitro ** titration du sang in vitro (plasma en présence d’hématies) *** titration du sang in vivo avant compensation rénale (plasma en présence du LEC peu tamponné et des tampons intra-cellulaires)

P.T. = 45 meq d’ions H+ par litre de plasma / u.pH b) P.T. du tampon bicarbonate (ouvert, extra-cellulaire) P.T. = 45 meq d’ions H+ par litre de plasma / u.pH NB : à concentration égale, un tampon ouvert est PLUS EFFICACE qu’un tampon fermé.

Régulation de l’équilibre acido-basique rein poumon - Le poumon est capable de réguler le pH en ajustant la concentration en acide volatil [CO2dissous] par un contrôle (cérébral) de la PCO2. - Le rein est capable de réguler le pH en ajustant la concentration en acides fixes par un contrôle de la concentration [HCO3-] en bicarbonates grâce à une élimination adéquate de H+ dans les urines : mécanisme : (CO2)plasma (HCO3-)plasma + (H+)urine anhydrase carbonique

Régulation du pH PCO2 Concentration en acide volatil Poumon [CO2dissous] Poumon (contrôle cérébral de la respiration) pH Concentration en acides fixes Rein (cellules tubulaires) Elimination urinaire des acides fixes

Valeurs normales Le pH dépend des concentrations en acide volatil [CO2]d et en acides fixes. Un état acidobasique normal correspond à un ajustement par le poumon de la concentration [CO2]dissous en acide volatil à sa valeur normale, soit 1,2 ± 0,1 mmol/L (→ PCO2 = 39 ± 3 mmHg) et à un ajustement par le rein de la concentration en acides fixes à sa valeur normale conduisant donc à un pH normal, soit 7,40 ± 0,02. On déduit de la relation d'Henderson-Hasselbach que la valeur normale de la concentration [HCO3-] des bicarbonates est égale à 24 ± 3 mmol/L* Nous prendrons : pH = 7,40 dans le sang artériel : PCO2 = 40 mmHg → [CO2]d = 1,2 ± 0,1 mmol/L [HCO3-] = 24 mmol/L *NB : Le laboratoire mesure généralement : [CO2]total = [HCO3-] + [CO2]d = 25 ± 3 mmol/L