A.CHIBAH Faculté de médecine - UMMTO

EQUILIBRE ACIDE-BASE(2011/2012)

Plan Introduction Origine des protonsRégulation dé l’équilibre acido-basique - Systèmes tampons - Régulation physiologiqueTroubles de l’équilibre acide-base - Acidose métabolique - Alcalose métabolique - Acidose respiratoire - Alcalose respiratoire

Introduction

L’équilibre acido-basique, ou homéostasie du pH, est une des fonctions essentielles de l’organisme.

Le pH (potentiel hydrogène) d’une solution est une mesure de sa concentration en ions H+. pH = - log [H+].

La [H+] dans l’organisme est très faible (concentration dans le plasma artériel = 0,00004 mEq/L soit 40 nmol/L), par rapport à d’autres ions (Na+≈135 mEq/L).

Chez l’homme, la constance du pH concerne non seulement le sang, mais également les autres humeurs et le contenu cellulaire. Cependant, le sang par son accessibilité immédiate, reste le meilleur reflet du pH du milieu intérieur.

Le pH sanguin varie de 7,36 à 7,42.

Le maintien strict d’un pH normal est essentiel car les fonctions enzymatiques de l’organisme sont très sensibles aux variations de [H+].

Des pH < 7 et > 7,8 sont incompatibles avec la vie.

GénéralitésLe pH d’autres fluides de l’organisme peut être très différent:

a) pH des sécrétions gastriques peut-être égal à 1 b) pH urinaire entre 4,5 - 8,5

ColaAcide de batterie

Jus de citron

Vinaigre

Pluie normale

Bicarbonate de soude

Ammoniac

Eau de Javel

6 8 9 10 11 12 13 141 2 3 4 507ACIDE ALCALIN

Eau distillée

Sang (7,35 à 7,45)

6

Le pH: une échelle logarithmique

1023

Le pH varie inversement avec la concentration de H+

pH de 6 = 10 fois plus acide (plus d’ions H+) que pH de 7pH de 5 = 100 fois plus acide que pH de 7pH de 4 = 1000 fois plus acide que pH de 7pH de 8 = 10 fois plus alcalin (moins d’ions H+) que pH de 7

Une solution dont le pH est égal à 10 contient d'ions H+ que celle dont le pH est égal à 7

1000 fois moins

Protéines intracellulaires, enzymes et canaux membranaires sont très sensibles au pH (modifications de la structure III des protéines et donc de l’activité).

Modifications de l’excitabilité neuronale. Dépression du SNC en acidose, hyperexcitabilité en alcalose.

Modifications de la concentration en ions K+ du fait des échanges H+ K+ (acidose: au niveau du rein excrétion d’ H+ et réabsorption de K+ ; alcalose: le rein réabsorbe des H+ et excrète des K+. Le déséquilibre potassique crée des troubles de l’excitabilité, cardiaque notamment.

Pourquoi la concentration d’ H+est-elle étroitement régulée?

Les sources de bases et d’acides• L’ingestion et la production d’acides sont plus importantes que celles des bases. Il y a nécessité d’une excrétion d’acides par l’organisme.

• La source la plus importante d’acide est la production de CO2 liée au métabolisme aérobie. Le CO2 se combine avec l’eau pour former H2CO3.

• La production d’ H+ à partir de CO2 et d’ H2O est la source d’acide la plus importante, environ 12500 mEq H+ chaque jour.

• Si cette quantité d’acide était dissoute dans le volume plasmatique, cela entraînerait une concentration d’ion H+de plus de 4000 mEq/L alors qu’elle• n’est que de 0,00004 mEq/L, soit une différence de 108.

• Le CO2 devra donc être éliminé de l’organisme. Les apports alimentaires et métaboliques en bases sont limités. Quelques anions sont susceptibles de générer des ions HCO3

-. L’essentiel de l’équilibre acide-base va donc reposer sur l’élimination de l’excès d’acides.

Origine des protons (H+) Groupement (SH) Acides gras Glucose

MET

AB

OLI

SME

Alimentation- Protéines- Acides

H+ + Anions H+ + Anions H+ + Anions2H+ + SO42-

H+

CO2 + H2O H2CO3 HCO3- + H+

POUMON : influence la valeur du pH en jouant sur l’élimination de CO2

REIN : élimination ~ 60 mmol / j de H+

Foie Muscle

H2 SO4 Corps cétoniques Acide lactique

Une surcharge acide permanente L’organisme est mieux armé pour lutter contre l’acidose

2 types d’acides

volatiles fixes

Source d’acides (H+) • Acides dits « Fixes » (30 à 40 mEq/m2/j)

- Catabolisme cellulaire (la plupart)• Acide sulfurique: des acides aminés• Acide phosphorique: des phospholipides• Acide citrique, acide ascorbique.• Acide lactique : du glucose en anaérobie• Acides gras, Corps cétoniques

- Estomac: acide chlorhydrique (HCl).- Elimination rénale.

• Acides volatiles (13000 à 20000 mEq/J)• Catabolisme cellulaire: Métabolisme oxydatif.• Elimination pulmonaire :

H+ + HCO3- H2CO3 CO2+ H2O

• Acide carbonique (H2CO3) : transport de CO2 dans le sang

EQUILIBRE ACIDE-BASE

3 Systèmes ou mécanismes physiologiques de maintien du pH. 1. Les systèmes tampons 2. La régularisation pulmonaire de la [CO2 ] ou ventilation 3. La régulation rénale

• élimine les acides (et bases) en excès;• régénère les bicarbonates

1. Système chimique ● Les systèmes tampons chimiques réagissent instantanément, mais limités.

2. Systèmes fonctionnels ● Respiration pulmonaire ● Rein à long terme-lent. à court terme-rapide.

Il existe une chronologie de la mise en œuvre.

(1)Les systèmes tampons sont la première ligne de défense, limitant de grandes variations.

(2)L’augmentation de la ventilation est une réponse rapide, pouvant prendre en charge près de 75% des perturbations de l’équilibre acide-base.

(3)Les reins sont beaucoup plus lents dans la mise en œuvre. Ils prennent en charge toutes les perturbations résiduelles du pH.

Schéma général

un acide fort est complètement dissocié un acide faible est faiblement dissocié Un tampon d ’acide : association d ’un acide faible et de son sel

d ’une base forte

1. LES SYSTEMES TAMPONS

Systèmes tampons Substances chimiques permettant d'absorber les acides forts et/ou les bases fortes (absorbe les ions H+ ou OH-).

Les systèmes tampons: exemple

(H++Cl-) + (Na++HCO3-) NaCl + H2CO3

Acide Fort Base Forte Acide

Faible

Composante acide H2CO3 H+ HCO3-+

Ion hydrogène

Ion bicarbonate

Acide carbonique

Composante basique NaHCO3 Na+ HCO3-+

Ion sodium

Bicarbonate de sodium

Ion bicarbonate

Exemple: Tampon acide carbonique - bicarbonate

Formé d'un acide faible (acide carbonique) et de son sel (bicarbonate de sodium)

Les différents systèmes tampons de l’organisme

Le tampon comme son nom l’indique n’empêche pas le changement de pH mais il en limite l’amplitude. La plupart des tampons de l’organisme ont comme fonctions de fixer des ions H+.

IntracellulairesCe sont surtout: les protéines. les ions phosphates (HPO42

-). l’hémoglobine-

oxyhémoglobine.Le tamponnement des ions H+ parl’Hb libère dans le GR un ion HCO3

- qui va gagner le plasma (échange avec Cl-).

Extracellulaires Tampon H2CO3 / HCO3

- . Tampon phosphate. Tampon protéines.

Ce sont les bicarbonates produits parle métabolisme du CO2 qui constituentle système tampon extracellulaire leplus important de l’organisme.

Tampons intracellulaires : HémoglobineAU NIVEAU DES POUMONS

AU NIVEAU DES TISSUS

Tampons extracellulaires : H2CO3 / HCO3-

La concentration d’ions bicarbonates est d’environ 24 mEq/L dans le plasma alors que la concentration d’ions H+ est seulement de 0,00004 mEq/L. C’est la fixation des ions H+ par l’hémoglobine qui explique cette différence.

Les HCO3 - plasmatiques sont ainsi disponibles pour tamponner les excès d’ions H+ d’origine métabolique.

La réaction : CO2 + H2O H2CO3 H+ + HCO3- régit le fonctionnement

de ce système tampon.

Le pH est déterminé par l'équation d'Henderson-Hasselbach :

pH = 6,1 + logHCO3

-

0,03. pCO2

HCO3- : facteur rénal ou métabolique

pCO2 : facteur ventilatoire ou pulmonaire

• pKa (HCO3- / H2CO3) = 6,1

• [H2CO3] = 0,03 x pCO2

• α = 0,03 : coefficient de solubilité du CO2

• pCO2 = 40 mmHg ou 5,3 KPa

Sachant que les concentrations de CO2 et de HCO3- sont dans un rapport de 1/20

et considérant une concentration en HCO3- chez l’Homme de 24 mmol/l et

[CO2]= 1,2 mmol/l, le pH sanguin calculé sera égal : 6,1 + log 20 = 7,40

Supposons maintenant un apport de 2 mmoles/l de H+:

Le tampon bicarbonate présente l’avantage de pouvoir fonctionner en système ouvert !

En système fermé:la concentration de HCO3

- devient donc 24-2 = 22 mM et la concentration en CO2 sera égale à 1,2+2 = 3,2 mM, d'où le pH:

En système ouvert, et en ne considérant que l'élimination du CO2 en excès par voie respiratoire, nous obtenons:

Si le CO2 augmente, la réaction se déplace vers la droite.

CO2 + H2O H2CO3 H+ + HCO3-

Les taux d’H+ et d’HCO3- sont augmentés. Il n’y a pas de mise en jeu particulière du

système tampon car pas de fixation des ions H+et pas de formation d’acide carbonique.

Si on ajoute des ions H+ dans le secteur plasmatique, les bicarbonates plasmatiques vont agir comme tampon et l’équation se déplacer vers la gauche.

CO2 + H2O H2CO3 H+ + HCO3-

A l’équilibre, une partie des H+ ajoutés a été tamponnée par les bicarbonates, et donc la quantité d’ H+ est modérément élevée. La quantité d’ HCO3

- a diminué, CO2 et H2O ont augmenté:

CO2 + H2O H2CO3 H+ + HCO3-

Dans ce cas, l’augmentation de CO2 n’ a cependant pas lieu car une augmentation immédiate de la ventilation survient.

2. LA REGULATION PHYSIOLOGIQUE

Respiration pulmonaire: à court terme - rapide

Rein : à long terme – lent.

Régulation pulmonaire

La ventilation va pouvoir ajuster le pH par l’intermédiaire de deux stimuli: H+ et pCO2

Chémorécepteurs aortiques et carotidiens• Stimulés par l’augmentation de [H+] plasmatique.• Stimulation des centres respiratoires bulbaires.• Augmentation de la ventilation, élimination de plus de CO2 et transformation des ions H+en H2CO3.

Chémorécepteurs centraux• H+ne traversent pas la barrière hémato-encéphalique. Mais les changements de pH modifient la pCO2 et le CO2 stimule les chémorécepteurs centraux.

Cette stimulation chémosensible va permettre de répondre à toute modification du pH et du CO2 plasmatique

Modifications de la ventilation liées à des modifications métaboliques

Régulation rénale

Les reins interviennent de deux façons: en excrétant ou en réabsorbant des ions H+.en augmentant ou diminuant le taux de réabsorption des ions HCO3

- .

Réabsorption des bicarbonates• Les ions HCO3- sont majoritairement réabsorbés au niveau du tubule proximal.

• Les ions H+ sont également excrétés au niveau du tubule proximal

Les voies de réabsorption et d’excrétion sont illustrées dans la figure suivante

Localisation des principales zones du néphron qui participent à la régulation de l’équilibre acide-base

Lieux de modification de l’excrétion et de la réabsorption des ions H+ et HCO3-

Troubles de l’équilibre Acide-base

Tampons, ventilation et excrétion rénale prennent en charge les variations de pH plasmatique.

Si accumulation ++ d’ions H+ ou OH- : déviation de la valeur en dehors des valeurs normales de pH plasmatique (7,38 – 7,42).

Ces perturbations sont soit une acidose, soit une alcalose, caractérisées par leur cause primaire : respiratoire ou métabolique.

La nature respiratoire provient d’une modification de la ventilation alvéolaire (HYPO ou HYPER).

La nature métabolique provient d’une accumulation excessive d’acides ou de bases, sans lien avec la ventilation quant à leur origine.

INTERET

Minimes:Elles n'entraînent pas de traitement spécifique en dehors du traitement de la cause.

Majeures:Elles peuvent engager le pronostic vital et appellent un traitement visant à corriger le trouble et simultanément un traitement étiologique.

↑ CO2 + H2O ← H2CO3 ← ↑H+ + ↓ HCO3-

Baisse du pH et baisse du taux de bicarbonates plasmatiques, HCO3- (Ce qui va

distinguer une acidose métabolique d’une acidose respiratoire).

L’augmentation de CO2 qui devrait survenir est compensée par une hyperventilation immédiate. Il existe également une excrétion d’ion H+et une réabsorption d’ion HCO3

-.

Le pH urinaire est bas en cas d'acidose métabolique (<5,3). Un pH retrouvé élevé (>6) témoigne d'une anomalie rénale.

Causes Charge acide (Exogène : intoxication par ClNH4… Endogène : acidocétose, acidose lactique…

Défaut d’élimination des acides (Défaut d’élimination des ions H+ par le rein : acidose rénale, IR sévère).Perte de bicarbonates (Digestive : Diarrhée, fistule digestive…Rénale : défaut de réabsorption de HCO3

- par le tube proximal (acidose rénale proximale type 2).

ALCALOSE METABOLIQUE C’est le résultat d’une diminution de la concentration d’ions H+ (causes : médicaments, vomissements importants).

↓ CO2 + H2O → H2CO3 → ↓H+ + ↑HCO3-

Elévation des ions HCO3- (> 28mM);

Compensation respiratoire rapide entraînant une augmentation rapide mais limitée de la PaCO2 ;

Excrétion d’ions HCO3- et réabsorption d’ion H+.

Causes Charge alcaline Exogène : Bicarbonates i.v. , citrate i.v. (transfusions massives), Syndrome des buveurs de lait et d’alcalins (apport exagéré de carbonate de Ca++).

Perte d’acide Digestive : vomissements, aspiration gastrique (perte HCl ) .

Rénale : augmentation d’élimination de H+ par le tube collecteur : Hyperaldostéronisme Iaire ou IIaire, hypokaliémie, diurétiques, hypercalcémie.

Contrôle de l’excrétion d’acide

Au niveau des canaux collecteurs corticaux, des tubules connecteurs et des tubules collecteurs initiaux, dans la partie distale du néphron, il existe des cellules spécialisées dites intercalaires.

Ces cellules sont riches en anhydrase carbonique et comporte des H+ATPase ou des ATPases échangeant H+ contre K+. Les bicarbonates sont mobilisés par des contre transports HCO3

-:Cl-

Les cellules de type A interviennent en cas d’acidose plasmatique, alors que les cellules de type B sont activées en cas d’alcalose.

• Cellule intercalaire de type A • Cellule intercalaire de type B

Le rein et le pH

Acidose, alcalose et kaliémie• pH de O.1 Kaliémie de 0.6• pH de O.1 Kaliémie de 0.6

1 . Dans les cellules de l’organisme

H+

K+

2. Dans le tube contourné distalACIDOSE ALCALOSE

H+et non K+

Na+

Acidose = hyperkaliémie Alcalose = hypokaliémie

K+

Pas de H+

Na+

ACIDOSE RESPIRATOIRE

L’acidose respiratoire survient quand une diminution de la ventilation alvéolaire conduit à une accumulation de CO2 et une augmentation de PaCO2 (> 42mmHg) : ces acidoses sont dites hypercapniques (↑ pCO2).

↑CO2 + H2O → H2CO3 → ↑ H+ + ↑ HCO3-

BIOLOGIE• Elévation des bicarbonates plasmatiques. • Hyperkaliémie modérée fréquente.• Hypochlorémie.• Le pH urinaire est acide car urine chargée en NH4

+ (augmentation de l’excrétion des protons H+ au niveau rénal). • La pO2 est abaissé puisque l'acidose est toujours secondaire à une hypoventilation alvéolaire.

Causes Certaines affections respiratoires : bronchite, emphysème… Dépression respiratoire (médicaments, drogues) ; Réduction de la zone d’échange pulmonaire (maladies restrictives pulmonaires

: déformation thoracique, chirurgie d’exérèse pulmonaire) ; Maladies neuromusculaires touchant les muscles respiratoires ; Atteinte du SNC par traumatisme ou intoxication ; Anesthésie chirurgicale ; Certaines formes d’obésité ; Respiration d’un air à pCO2 augmentée.

ALCALOSE RESPIRATOIRE

hyperventilation, qui ne résulte pas d’une augmentation de la production métabolique de CO2. Ces alcaloses sont dites hypocapniques (↓pCO2)(< 36mmHg).

↓CO2 + H2O ← H2CO3 ← ↓ H+ + ↓ HCO3-

Élévation du pH et baisse du taux de bicarbonates plasmatiques, HCO3-, ce qui

signe la nature respiratoire de l’alcalose. La régulation intervient par la diminution de la fréquence respiratoire et production d’une urine alcaline (élimination de l’excès de HCO3

- par voie rénale).

Causes Toutes les situations d’augmentation de la ventilation, d’origine respiratoire : Maladies respiratoires aigues ou chroniques ; Etat fébrile ; Lésions cérébrales ; Anémie ou autres anomalies du transport de l’oxygène ; Discours long parlé d’une voix forte ; parler en courant : les périodes de parole

sont suivies de périodes d’hyperventilation (parler coupe en effet le rythme ventilatoire).

Exposition à l’altitude (le manque d’O2 induit une hyperventilation) ;

Le trou anionique ( anion gap)• (Na+ + K+) - (Cl- + Bicar) = 10 à 15 • si >> 15 = existence d ’un trou anionique• signification = présence d ’un anion indosé

lié à un acide tel que lactate, ac. Aminé, ac. cétonique , toxique...