Physiologie des régulations (4)

Physiologie des régulations I- Généralités sur la notion de régulation en physiologie Introduction: Notion de Milieu intérieur- Homéostasie et Régulation Les compartiments hydriques de l’organisme Milieu intérieur Lymphe Composition ionique des différents compartiments hydriques Notions de boucles de régulation II- La régulation de la glycémie-Contrôle de la prise alimentaire Comportement Régulé: Comportement alimentaire Régulation à long terme de la prise alimentaire Régulation hormonale et hypothalamique du comportement alimentaire et du tissu adipeux Vue moderne de la régulation à long terme de la prise alimentaire Faim et satiété Rôle de l’hypothalamus Vue moderne de la régulation à cours terme de la prise alimentaire : Les signaux de satiété directement liés à la prise alimentaire III- La régulation de l’équilibre minéral Existence d’une relation entre glande surrénale et équilibre minéral La régulation de l’équilibre acido-basique Notion de tampon Les perturbations de l’équilibre acido-basique IV- La régulation de la pression artérielle et de la volémie V- Régulation rénale VI- Intégration neuro-humorale: axe hypothalamo-hypophysaire VII- Régulation respiratoire VIII- Régulation cardiaque IX- Régulation digestive X- Régulation hormonale - Principes généraux de physiologie endocrine - notion de communication endocrine - les hormones - principes d'action des hormones - mode d'action des hormones : récepteurs membranaires et récepteurs nucléaires - Principales régulations endocrines. Relations avec le système nerveux - Physiologie de la régulation de la faim - Physiologie de la régulation de la soif - Physiologie de la reproduction - Les hormones thyroïdiennes et la régulation du métabolisme et de la croissance - La régulation endocrine de la calcémie et de la croissance osseuse - Les hormones pancréatiques et la régulation de la glycémie XI- La thermorégulation

La régulation de l’équilibre acido-basique H2CO3 HCO3- 1 20 :

Rappels L’eau pure contient 10-7moles/l de H3O+ (H+ en raccourci). pH = - log [H+] = 7 - Un acide est une substance qui libère des H+. Si on ajoute un acide dans l’eau, [H+] augmente et le pH diminue (pH<7). Un acide fort se dissocie complètement alors qu’un acide faible se dissocie partiellement. AH A- + H+ acide fort AH  A- + H+ acide faible Une base est une substance qui accepte des H+. Une base dans l’eau donne un pH >7. Dans une solution où le pH passe de 7 à 3, [H+] est x par 10 000 !

Importance de la stabilité du pH du milieu intérieur Les cellules doivent vivre dans un liquide (plasma, lymphe) dont le pH est stable. En effet : le pH affecte la structure des protéines. Une déviation du pH par rapport à la normale peut dénaturer les protéines (notamment les enzymes) et empêcher leur fonctionnement. dénaturation

Importance de la stabilité du pH du milieu intérieur le pH affecte le fonctionnement des neurones. Explication : Le déficit de H+ dans le LEC (alcalose) entraîne un efflux de H+ qui est compensé sur le plan électrique par un influx de K+. La  de [K+]e entraîne une dépolarisation des neurones  hyperexcitabilité et activité électrique spontanée. Au niveau musculaire : spasmes, tétanies, convulsions, mort par paralysie respiratoire. A l’inverse, l’excès de H+ dans le LEC (acidose) entraîne un influx de H+ qui est compensé sur le plan électrique par un efflux de K+. L’ de [K+]e entraîne une hyperpolarisation des neurones  hypoexcitabilité et dépression de l’activité cérébrale (confusion, désorientation puis coma).

Causes possibles de perturbation du pH du plasma Certains aliments contiennent des acides faibles, par exemple le vinaigre ou les fruits (acide citrique, acide malique…).

Causes possibles de perturbation du pH du plasma Le métabolisme produit des acides. - acides volatiles. La respiration cellulaire libère du CO2 dans le sang. CO2 se combine à l’eau pour former de l’acide carbonique : CO2 + H2O  H2CO3  HCO3- + H+ - acides non volatiles. Certains muscles en activité réalisent des fermentations et libèrent de l’acide lactique dans le sang. La dégradation des acides aminés soufrés (méthionine) produit de l’acide sulfurique H2SO4. La paroi de l’estomac produit de l’acide chlorhydrique HCl. Lors de vomissements, la perte de HCl tend à rendre le plasma plus alcalin.

Stabilité du pH plasmatique Malgré toutes ces perturbations le pH du plasma reste généralement compris entre 7,35 et 7,45 (moyenne : 7,4). Chimiquement, un pH de 7,2 est alcalin, mais physiologiquement on est en acidose.

Stabilité du pH plasmatique La stabilité du pH plasmatique implique l’existence de mécanismes de régulation : Un mécanisme instantané : les tampons du sang 2) Un mécanisme rapide : la régulation pulmonaire 3) Un mécanisme lent : la régulation rénale

Notion de tampon Un tampon est capable de fixer des H+ quand ils sont en excès en solution et de libérer des H+ quand leur concentration diminue en solution. Il est en général formé d’un acide faible et de la base conjuguée de cet acide : R-COOH R-COO- + H+ pH pKA 100% R-COOH 100% R-COO - 50% R-COOH 50% R-COO - Le pouvoir tampon est maximal quand R-COOH et R-COO- sont à la même concentration A l’équilibre : [A-] x [H+] / [AH] = KA [H+] = KA x [AH] / [A-] –log [H+] = -log KA + log [A-] / [AH] soit : pH = pKA + log [A-] / [AH] Selon cette formule, quand [A-] = [AH], pH = pKA Finalement, un tampon est d’autant plus efficace : - qu’il est concentré (plus une éponge est grosse…) - que le pH de la solution est proche du pKA du couple R-COOH / R-COO-.

Les tampons du plasma Le pouvoir tampon du plasma peut-être mis en évidence par une manipulation simple : 5 gouttes HCl 0,1N 5 gouttes HCl 0,1N eau du robinet, pH 6 plasma, pH 7,4 Le pH passe à 3 environ Le pH reste à 7,4

Les tampons du plasma Les 3 principaux tampons du plasma sont : le tampon protéines, le tampon phosphate et le système acide carbonique/bicarbonate. Quelle est leur efficacité relative ? Le tampon protéines pH isoélectrique pH > pHi pH < pHi H+ Importance : - les protéines sont abondantes dans le plasma ( 70 g / l). - mais la plupart des AA de ces protéines ont un pKA très éloigné du pH plasmatique.

Les tampons du plasma Le tampon phosphates L’acide phosphorique H3PO4 comporte 3 fonctions acides. (1) H3PO4  H2PO4- + H+ pK1 = 2 (2) H2PO4-  HPO42- + H+ pK2 = 6,8 (3) HPO42-  PO43- + H+ pK3 = 11,5  C’est seulement pour le 2e couple que le pKA est proche du pH plasmatique  prédominance des formes H2PO4- et HPO42- dans le plasma. Les phosphates sont très peu abondants dans le plasma (2 à 3 mEq/l)  leur contribution au pouvoir tampon du plasma est faible. Par contre, ils jouent un rôle très important dans la régulation du pH à l’intérieur des cellules.

 Les tampons du plasma H+ Le tampon bicarbonate (H2CO3 / HCO3-) Le pKA de ce système est de 6,1, ce qui est assez éloigné du pH plasmatique (7,4). Cependant HCO3- est abondant dans le plasma (27 mM), ce qui le rend important. De plus le pouvoir tampon de ce système est nettement meilleur dans l’organisme qu’in vitro. H+ CO2 + H2O  H2CO3  H CO3- + H +  huile Suite à l’addition de H+, l’équilibre se déplace vers la gauche et CO2 s’accumule. Au fur et à mesure que des H+ sont ajoutés, ils sont de moins en moins bien tamponnés car l’accumulation de CO2 contrarie de plus en plus le déplacement de l’équilibre vers la gauche. Dans l’organisme, les poumons évacuent l’excès de CO2, ce qui améliore beaucoup le pouvoir tampon du système.

Le tampon hémoglobine Le pouvoir tampon du sang est supérieur au pouvoir tampon du plasma. plasma sang pCO2 (mm Hg) 20 30 40 50 60 7,4 7,8 7,0 pH La différence est due à un tampon contenu dans les globules rouges : l’hémoglobine.

Le tampon hémoglobine Les globules rouges sont des cellules sans noyau et sans organites intracellulaires. On, peut les considérer comme des " sacs à hémoglobine ". Il y a environ 150g d’hémoglobine par litre de sang.

Le tampon hémoglobine L’hémoglobine est une protéine tétramérique formée de 2 chaînes  et 2 chaînes . Chaque monomère porte un groupement hème avec un atome de fer.

Le tampon hémoglobine L’hémoglobine est riche en histidine (33 par molécule). Cet AA a un pKA de 7,3, ce qui est très proche du pH plasmatique. Au pH normal, il y a donc près de 50% de chacune des 2 formes de l’histidine. L’abondance de l’hémoglobine dans le sang et sa richesse en histidine en font un tampon très efficace.

La régulation ventilatoire du pH plasmatique Effets de la ventilation sur le pH plasmatique Hyperventilation volontaire  augmentation rapide du pH ( de 7,4 à 7,6 en 1 min environ). Explication : le rejet accru de CO2 provoque un déplacement de l’équilibre suivant vers la gauche. CO2 + H2O  H2CO3  H CO3- + H +   Blocage volontaire de la ventilation  effet inverse (acidose). CO2 est un facteur acidifiant par déplacement de l’équilibre vers la droite.

La régulation ventilatoire du pH plasmatique Effets du CO2 sur la ventilation air contenant 7,5 % de CO2 L’inhalation d’un air enrichi en CO2 entraîne une acidification du plasma. L’organisme réagit par une hyperventilation (de la fréquence et de l’amplitude des mouvements respiratoires). Cette hyperventilation élimine l’excès de CO2 dans le plasma, d’où correction de l’acidose.

La régulation ventilatoire du pH plasmatique Effets du CO2 et du pH sur la ventilation pH volume ventilatoire en % de la normale 100 200 300 400 7,4 7,2 7,6

La régulation ventilatoire du pH plasmatique protubérance annulaire neurone inspiratoire bulbaire motoneurone médullaire centre inspiratoire bulbe rachidien inspiration (active) expiration (passive) vers les motoneurones respiratoires de la moelle Les neurones du centre inspiratoire bulbaire génèrent spontanément des trains de Pas (potentiel action spontané), environ 12 fois par minute. Ces PAs descendent vers la moelle épinière et activent les motoneurones des muscles respiratoires (diaphragme, muscles intercostaux). La contraction de ces muscles induit l’inspiration ; leur relâchement provoque l’expiration.

La régulation ventilatoire du pH plasmatique Les variations plasmatiques du pH et de la pC02 sont détectées par les chémorécepteurs de la paroi de certaines artères : "corpuscules aortiques" sous la crosse aortique et "corpuscules carotidiens" à l’embranchement de la carotide commune. nerf IX (glossopharyngien) carotide externe carotide interne sinus carotidien carotide commune nerf X (vague) artère aorte coeur

La régulation ventilatoire du pH plasmatique chémorécepteurs centraux centre inspiratoire bulbe rachidien Il existe également des chémorécepteurs centraux, localisés dans le bulbe rachidien au voisinage du centre inspiratoire.

La régulation ventilatoire du pH plasmatique capillaire cérébral barrière hémato-encéphalique H +  pCO2 CO2 + H2O  H + + HCO3- LCR chémorécepteur central BULBE centre inspiratoire Couleurs : stimulus récepteur voie sensitive  ventilation centre intégrateur réponse

La régulation ventilatoire du pH plasmatique  pCO2 du plasma  pH du LCR  pH du plasma chémorécepteurs centraux corpuscules aortiques et carotidiens centre inspiratoire muscles respiratoires  ventilation  pCO2 et  pH 70% de la réponse 30% de la réponse

La régulation rénale du pH plasmatique L’  du débit respiratoire réduit pCO2 Cas d’une acidose CO2 + H2O  H + réserve de bicarbonate Na+ H2CO3 H + HCO3- HCO3- NaHCO3 production de HCO3- tampons sécrétion de H+ En cas d’acidose, les reins sécrètent des ions H+ dans l’urine et reconstituent la réserve de bicarbonate.

La régulation rénale du pH plasmatique La  du débit respiratoire augmente pCO2 Cas d’une alcalose  H + réserve de bicarbonate production de H + tampons sécrétion de HCO3- En cas d’alcalose, les reins produisent des ions H+ et réduisent l’excès de bicarbonate en l’éliminant dans l’urine.

La régulation rénale du pH plasmatique Lumière tubulaire Cellule tubulaire Capillaire péritubulaire AC IV AC II AC = anhydrase carbonique Ce mécanisme permet d’éviter une "fuite" de bicarbonate dans l’urine. Il empêche donc une aggravation du déficit en bicarbonate lors de l’acidose (bilan en HCO3- nul).

La régulation rénale du pH plasmatique Lumière tubulaire Cellule tubulaire Capillaire péritubulaire AC II Ce mécanisme permet d’ajouter de nouvelles molécules de HCO3- dans le plasma, ce qui contribue à réduire le déficit créé lors de l’acidose.

La régulation rénale du pH plasmatique Lumière tubulaire Cellule tubulaire Capillaire péritubulaire AC II Ce mécanisme permet aussi d’ajouter de nouvelles molécules de HCO3- dans le plasma, ce qui achève de réduire le déficit créé lors de l’acidose.

Les perturbations de l’équilibre acido-basique H + HCO3- acidose respiratoire  alcalose respiratoire  acidose métabolique alcalose métabolique

Les perturbations de l’équilibre acido-basique : exercice Chez 4 sujets, on a mesuré le pH plasmatique et la concentration de bicarbonate dans le plasma. A chaque sujet désigné par un chiffre associer la lettre qui lui correspond. 1) Gros fumeur atteint de bronchite chronique 2) Sujet en bonne santé 3) Sujet qui vomit depuis 3 jours 4) Jeune enfant ayant avalé par erreur de l’antigel (éthylène-glycol qui en se décomposant dans l’organisme donne de l’acide glycolique et de l’acide oxalique). pH H + HCO3- (mEq/l) n° perturbation A 7,65 48 B 7,37 27 C 7,29 16 D 7,3 36