Physiologie des régulations (4)
Physiologie des régulationsI- Généralités sur la notion de régulation en physiologieIntroduction: Notion de Milieu intérieur- Homéostasie et RégulationLes compartiments hydriques de l’organismeMilieu intérieur Lymphe Composition ionique des différents compartiments hydriquesNotions de boucles de régulationII- La régulation de la glycémie-Contrôle de la prise alimentaireComportement Régulé: Comportement alimentaireRégulation à long terme de la prise alimentaireRégulation hormonale et hypothalamique du comportement alimentaire et du tissu adipeuxVue moderne de la régulation à long terme de la prise alimentaireFaim et satiétéRôle de l’hypothalamusVue moderne de la régulation à cours terme de la prise alimentaire : Les signaux de satiété directement liés à la prise alimentaireIII- La régulation de l’équilibre minéralExistence d’une relation entre glande surrénale et équilibre minéralLa régulation de l’équilibre acido-basiqueNotion de tamponLes perturbations de l’équilibre acido-basique IV- La régulation de la pression artérielle et de la volémieV- Régulation rénaleVI- Intégration neuro-humorale: axe hypothalamo-hypophysaireVII- Régulation respiratoireVIII- Régulation cardiaqueIX- Régulation digestiveX- 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 glycémieXI- La thermorégulation
La régulation de l’équilibre acido-basique
H2CO
3
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
intérieurLes 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+
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.
- 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.
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.
La stabilité du pH plasmatique implique l’existence de mécanismes de régulation :
Stabilité du pH plasmatique
1) 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+
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-.
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
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
Le pH passe à 3 environ Le pH reste à 7,4
eau du robinet, pH 6 plasma, pH 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 ?
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.
Le tampon protéines
pH isoélectriquepH > pHi pH < pHi
H+ H+
Les tampons du plasma
Le tampon phosphates
L’acide phosphorique H3PO4 comporte 3 fonctions acides.
(1) H3PO4 H2PO4- + H+ pK1 = 2
(2) H2PO4- HPO4
2- + H+ pK2 = 6,8
(3) HPO42- PO4
3- + H+ pK3 = 11,5
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.
C’est seulement pour le 2e couple que le pKA est proche du pH plasmatique
prédominance des formes H2PO4- et HPO4
2- dans le plasma.
Les tampons du plasma
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.
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.
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
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.
Effets du CO2 sur la ventilation
La régulation ventilatoire du pH plasmatique
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.
Effets du CO2 et du pH sur la ventilation
La régulation ventilatoire du pH plasmatique
pH
volume ventilatoire en % de la normale
100
200
300
400
7,47,27,2 7,6
protubérance annulaire
bulbe rachidiencentre
inspiratoire
vers les motoneurones respiratoires de la
moelle
neurone inspiratoire
bulbaire
motoneurone
médullaire
inspiration (active)
expiration (passive)
La régulation ventilatoire du pH plasmatique
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
nerf IX (glossopharyngien)
carotide externecarotide internesinus carotidien
carotide communenerf X (vague)
artère aorte
coeur
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.
La régulation ventilatoire du pH plasmatique
bulbe rachidien
centre inspiratoire
chémorécepteurs centraux
Il existe également des chémorécepteurs centraux, localisés dans le bulbe rachidien
au voisinage du centre inspiratoire.
La régulation ventilatoire du pH plasmatique
chémorécepteur central
centre inspiratoire
ventilation
capillaire cérébral
barrière hémato-encéphalique
LCR
BULBE
pCO2
CO2 + H2O H + + HCO3
-
stimulus
récepteur
voie sensitive
centre intégrateur
H +
réponse
Couleurs :
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 ventilatoire du pH plasmatique
La régulation rénale du pH plasmatique
L’ du débit respiratoire réduit pCO2
CO2 + H2O
H +
H + HCO
3-H2CO
3
tampons
sécrétion de H+
production de HCO
3-
HCO3
-Na+
NaHCO3
réserve de bicarbonate
Cas d’une acidose
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
H +
tampons
sécrétion de HCO3-
La du débit respiratoire augmente pCO2
production de H
+
Cas d’une alcalose
réserve de bicarbonate
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 IIAC IV
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