Physiologie Étude des: Fonctions, des cellules, des tissus, des organes, Systèmes régulateurs qui les intègrent, En physiopathologie : Les fonctions sont plus ou moins altérées, Les systèmes sont plus rarement atteints. Régulation du Milieu intérieur (2010), PCEM1, Physiologie, Université Bordeaux2, Dr Gérard Manier : [email protected] Régulation du milieu intérieur A. Généralités et définitions, B. L’eau de l’organisme C. Échanges transmembranaires passifs Régulation du Milieu intérieur (2010), PCEM1, Physiologie, Université Bordeaux2, Dr Gérard Manier : [email protected] A. Généralités et définitions 1. Modélisation du milieu intérieur, 2. Compartiments virtuels, 3. Grandeurs de l’environnement physique, 4. Concept d’homéostasie. Régulation du Milieu intérieur (2010), PCEM1, Physiologie, Université Bordeaux2, Dr Gérard Manier : [email protected] 1. Modélisation du milieu intérieur M. Intérieur : Eau, extra et intra cellulaires Caractéristiques pendant les états de l’organisme Interprétations fonctionnelles : les modèles Fondée sur des hypothèses pour l’étude : Des échanges entre : - organisme et environnement naturel - compartiments virtuels de l’organisme Modèles : 2 types principaux : Modèle de représentation, Modèles de connaissance. Applications de lois et d’opérations par ex : Conservation de la masse et de l’énergie, Appliquées aux bilans des entrées et des sorties. Régulation du Milieu intérieur (2010), PCEM1, Physiologie, Université Bordeaux2, Dr Gérard Manier : [email protected] Exemples de Modèles Modèle de représentation 1) 1 boîte noire 2) Équations mettant en relations entrées et sorties Modèle de connaissances Sont identifiées ici : 1) Plusieurs structures, 2) Plusieurs fonctions, 3) Leurs interactions, 4) Des équations peuvent être écrites à chaque niveau en fonction de l’application de : a) Lois physiques et b) Hypothèses Régulation du Milieu intérieur (2010), PCEM1, Physiologie, Université Bordeaux2, Dr Gérard Manier : [email protected] 2. Compartiments virtuels de l’organisme 2.1 Répartition de la masse corporelle Masse grasse (%) : ne contient pas d’eau > 20% chez le sédentaire, plus grande chez la femme, moins grande chez le petit enfant. Masse maigre (%) : 75% d’eau < 80% chez le sédentaire. contient l’eau EC et l’eau IC IMC ou BMI : Poids/(taille)2 < 27 kg/m2, Définition de l’obésité (BMI>29), Minceurs et maigreurs… Régulation du Milieu intérieur (2010), PCEM1, Physiologie, Université Bordeaux2, Dr Gérard Manier : [email protected] 1 2. Compartiments virtuels de l’organisme 2.2 Compartiments liquidiens : Eau totale : 75% de la masse maigre, 60% environ de la masse corporelle, Plus petit chez l’obèse, Plus grand chez le nouveau né. Répartition de l’eau totale Eau extracellulaire : 45%, Eau intracellulaire : 55%. Composition : Substances Organiques et Minérales. Régulation du Milieu intérieur (2010), PCEM1, Physiologie, Université Bordeaux2, Dr Gérard Manier : [email protected] 2 3. Grandeurs de l’environnement physique 1/7 3.1 Pression atmosphérique ou barométrique 20000m 0 1. 2. 3. 4. 5. ρ variable = altitude Immersion dans l’atmosphère et Altitude au dessus de la mer: Très haute Haute Moyenne Basse Niveau de la mer S×h×ρ×g Poids = = =h×ρ×g B Surface S P Régulation du Milieu intérieur (2010), PCEM1, Physiologie, Université Bordeaux2, Dr Gérard Manier : [email protected] 3. Grandeurs de l’environnement physique 2/7 3.1 Pression atmosphérique ou barométrique Principe du Baromètre S S×h×ρ×g Poids = = =h×ρ×g B Surface S P La pression à la profondeur h est en équilibre avec la pression PB qui s’applique au même niveau dans le tube en U. Régulation du Milieu intérieur (2010), PCEM1, Physiologie, Université Bordeaux2, Dr Gérard Manier : [email protected] 3. Grandeurs de l’environnement physique 3.2 Température : T absolue et t ambiante : T(°Kelvin) = 273°K(=0°Celsius) + t°(Celsius) Régulation du Milieu intérieur (2010), PCEM1, Physiologie, Université Bordeaux2, Dr Gérard Manier : [email protected] 3/7 3. Grandeurs de l’environnement physique 3.3 Humidité : les définitions : humidité = PIH2O ambiante = PIH2O a saturante = PIH2O : s (mesurée) avec de la température (table) PIH2O au delà de laquelle la vapeur d'eau condense à T donnée relative = PIH2O = r 0 PIH2O 1 r PIH2O a PIH2O s ou bien : avec : 0 < PIH2O × 100 < 100% r Régulation du Milieu intérieur (2010), PCEM1, Physiologie, Université Bordeaux2, Dr Gérard Manier : [email protected] 4/7 3. Grandeurs de l’environnement physique 5/7 3.4 : PIO2 et Pressions partielles des gaz Appliqués à la même surface en un lieu donné: (Pds de l’ensemble des molécules de gaz)/S = PB (Poids du gaz x1)/S = Pression partielle du gaz x1 Pour l’ensemble des gaz présents ds l’atmosphère PB = Px1 + Px2 + Px3 +…. Par exemple : PB = PIO2 + PIN2 + PIH2O Régulation du Milieu intérieur (2010), PCEM1, Physiologie, Université Bordeaux2, Dr Gérard Manier : [email protected] 3. Grandeurs de l’environnement physique 3.5 Fraction en O2 PB = PIN2 + PIO2 + PIH2O ou bien PB - PIH2O PIO2 PB- PIH2O = PIN2 + =1 PB- PIH2O PB - PIH2O PB - PIH2O = PIN2 + PIO2 avec dans l'environnement naturel : FIO2 = PIO2 0.21 et FIN2 = PB - PIH2O PIO2 = 0.21 x PIN2 0.79 impliquent : PB - PIH2O PB - PIH2O et PIN2 = 0.79 x PB - PIH2O Conclusions : PB et PIO2 diminuent avec l’altitude FIO2 est constante Régulation du Milieu intérieur (2010), PCEM1, Physiologie, Université Bordeaux2, Dr Gérard Manier : [email protected] 6/7 3. Grandeurs de l’environnement physique 3.5 Gravité terrestre (g) Constante = g = 9.8m/s/s Poids (en Newton) = Masse (kg) x gravité g (m.s-2) Sans gravité = impesanteur, PB = 0. plus de gradient de pression statique dans le corps Régulation du Milieu intérieur (2010), PCEM1, Physiologie, Université Bordeaux2, Dr Gérard Manier : [email protected] 7/7 4. Concept d’Homéostasie 1/9 4.1 Le milieu intérieur : description L’organisme est un système ouvert 1 Il échange avec l’environnement : Matière : eau, gaz, substances, Énergie : calorique, chimique, mécanique. Contrôle des entrées et des sorties par: Comportement (ex : boissons, aliments), Fonctions organiques et interfaces : exemples : Poumons, Reins, tube digestifs, peau, etc… Bilans des Entrées et Sorties États stables : bilans nuls. États transitoires : bilans positifs ou négatifs. Régulation du Milieu intérieur (2010), PCEM1, Physiologie, Université Bordeaux2, Dr Gérard Manier : [email protected] 4. Concept d’Homéostasie 2/9 4.1 Le milieu intérieur : description 2 États physiologiques de l’organisme et Balances Activité musculaire volontaire : 3 états dépendants Contraction : catabolisme > anabolisme, Récupération : anabolisme > catabolisme, Repos : anabolisme = catabolisme. Activités organiques automatiques : différents états Jeûne et état post prandial, Sommeil et vigilance, Croissance, Âge et Vieillissement, Grossesse, etc… États pathologiques : Maladies. Régulation du Milieu intérieur (2010), PCEM1, Physiologie, Université Bordeaux2, Dr Gérard Manier : [email protected] Organisme = système ouvert; balances. As : Afférences sensorielles Em : Efférences motrices Régulation du Milieu intérieur (2010), PCEM1, Physiologie, Université Bordeaux2, Dr Gérard Manier : [email protected] 4. Concept d’Homéostasie 3/9 4.1 Le milieu intérieur : description Constantes et variables 3 Constantes absolues : Ne varient pas Structurale : ex, longueur des os de l’adulte Certaines grandeurs physiques. Variables fonctionnelles contrôlées, par exemple : débit cardiaque, résistances vasculaires, diurèse, Ne dépendent que d’une fonction. Varient entre 2 limites (inf. et sup) sans symptôme. Variables régulées ou asservies: Nombre relativement limité, Dépendent de plus d’une fonction. Varient autour d’une consigne avec symptômes. Régulation du Milieu intérieur (2010), PCEM1, Physiologie, Université Bordeaux2, Dr Gérard Manier : [email protected] Variables Régulation du Milieu intérieur (2010), PCEM1, Physiologie, Université Bordeaux2, Dr Gérard Manier : [email protected] 4. Concept d’Homéostasie 4/9 4.1 Le milieu intérieur : description 4 Mise en œuvre des échanges Perception des besoins et déplaisir, Satisfaction des besoins et plaisir, Apprentissages, Comportements et désirs. Moteurs des échanges : l Métabolisme intermédiaire automatique, Métabolisme de la motricité indirectement volontaire. En résumé : Le langage courant confond Contrôler et Réguler. Un contrôle est l’application d’un gain sur une fonction, Une régulation est un asservissement Une fonction est: Contrôlée toujours ! Régulée jamais ! Régulation du Milieu intérieur (2010), PCEM1, Physiologie, Université Bordeaux2, Dr Gérard Manier : [email protected] • La « Constance » du milieu intérieur n’est pas réelle lors des activités transitoires de l’organisme car les valeurs des variables régulées s’écartent de leur valeur de consigne malgré la mise en œuvre des systèmes régulateurs. • Par contre, lorsque ces activités cessent les variables régulées reviennent chacune à leur valeur de consigne pour caractériser l’« homéostasie » sur une durée limitée. Cet état peut être l’état basal, celui au cours duquel le métabolisme de base (minimum) est mesuré : le matin, à jeun, en condition de repos physique et ambiance thermo hygrométrique contrôlée. Régulation du Milieu intérieur (2010), PCEM1, Physiologie, Université Bordeaux2, Dr Gérard Manier : [email protected] 4. Concept d’Homéostasie 4.2 Les systèmes régulateurs 5/9 1/5 Définition Un système régulateur (ou régulation) met en jeu automatiquement une interaction de fonctions organiques par un programme biologique inscrit dans des centres de traitement de l’information sur la valeur effective d’une variable régulée (appelée aussi parfois variable réglée) visant à interpréter les écarts entre cette valeur effective et la valeur de consigne de la dite variable régulée. En pratique, la valeur effective est nécessairement mesurée par un capteur et la valeur de consigne est inscrite dans des centres. La réponse du système régulateur est la plupart du temps en rétro action négative, plus rarement en rétro action positive. Régulation du Milieu intérieur (2010), PCEM1, Physiologie, Université Bordeaux2, Dr Gérard Manier : [email protected] 4. Concept d’Homéostasie 4.2 Les systèmes régulateurs 6/9 2/5 Organisation (1) Système de traitement de l’information : Capteur : mesure d'une grandeur effective. Afférences : du capteur aux centres : signalisation Neuronale ou Hormonale. Centres d'intégration : Valeur de consigne de la variable régulée. Calculs, opérations, interprétation sur les écarts. Notion d’échappement. Efférences : des centres aux effecteurs : signalisation Neuronale ou Hormonale. Régulation du Milieu intérieur (2010), PCEM1, Physiologie, Université Bordeaux2, Dr Gérard Manier : [email protected] 4. Concept d’Homéostasie 4.2 Les systèmes régulateurs 7/9 3/5 Organisation (2) Système fonctionnel : interaction de fonctions : Effecteurs : plusieurs tissus/organes, Sains ou Pathologiques. Sous contrôle par les centres, Expressions des limites fonctionnelles, Relation structure-fonction des effecteurs : Adaptation Désadaptation Régulation du Milieu intérieur (2010), PCEM1, Physiologie, Université Bordeaux2, Dr Gérard Manier : [email protected] 4. Concept d’Homéostasie 4.2 Les systèmes régulateurs 8/9 4/5 Mise en œuvre : Variable et valeurs effectives Intervalles physiologiques et pathologiques, Échappements physiologiques et pathologiques. Boucle d'asservissement Rétro action négative : raccourcit les écarts. Rétro action positive : entretient les écarts. Conséquences Interactions de plusieurs tissus et/ou organes, Hiérarchie et stratégie d’intervention, Adaptation. Régulation du Milieu intérieur (2010), PCEM1, Physiologie, Université Bordeaux2, Dr Gérard Manier : [email protected] 4. Concept d’Homéostasie 4.2 Les systèmes régulateurs 9/9 5/5 Régulation et contrôle d’un bilan, exemples : Température et bilan de chaleur, Glycémie et bilan d’énergie chimique, Pression artérielle, bilan d’énergie hémomécanique, Osmolarité et bilan de l’eau, Volémie et bilan du Na+ & bilan de l’eau. En cas de doute rechercher et identifier : le capteur, la consigne, les centres, Les effecteurs, le bilan, les symptômes, le mécanisme. Régulation du Milieu intérieur (2010), PCEM1, Physiologie, Université Bordeaux2, Dr Gérard Manier : [email protected] Organisation d’un système régulateur Régulation du Milieu intérieur (2010), PCEM1, Physiologie, Université Bordeaux2, Dr Gérard Manier : [email protected] exemples de bilans Régulation du Milieu intérieur (2010), PCEM1, Physiologie, Université Bordeaux2, Dr Gérard Manier : [email protected] exemples de bilans Régulation du Milieu intérieur (2010), PCEM1, Physiologie, Université Bordeaux2, Dr Gérard Manier : [email protected] B. L’eau de l’Organisme 1- Caractéristiques physiques: 2- Répartition et composition Régulation du Milieu intérieur (2010), PCEM1, Physiologie, Université Bordeaux2, Dr Gérard Manier : [email protected] 1. Caractéristiques physiques 1.1. Volumes (ex chez un sujet de 75kg, 20% MG) 75% de la masse maigre : E Totale (75-(75*20/100))*75/100 = 45 L Extra Cellulaire : 45% = 20 L Intra Cellulaire : 55% = 25 L 1.2. Pressions 1 Hydrostatique(1) : rôle de la posture Dynamique (2) : générée par une pompe Pression d’entrée et de sortie Notion de débit et de résistance Régulation du Milieu intérieur (2010), PCEM1, Physiologie, Université Bordeaux2, Dr Gérard Manier : [email protected] Gradient de pression Hydrostatique dans le corps Pression relative Pression absolue P0 = -60 hPa = -44mmHg P0 = PB = 1013 hPa P60 = 0 hPa P60 = (60+1013) hPa P180 = 120 hPa P180 = (180+1013) hPa Pour qu’un gradient de pression puisse assurer la circulation dans la tête il faudra que le cœur génère une pression moyenne supérieure à 60hPa = 44mmHg. Régulation du Milieu intérieur (2010), PCEM1, Physiologie, Université Bordeaux2, Dr Gérard Manier : [email protected] Gradient de pression hydrostatique et posture Régulation du Milieu intérieur (2010), PCEM1, Physiologie, Université Bordeaux2, Dr Gérard Manier : [email protected] Schéma de la grande circulation Régulation du Milieu intérieur (2010), PCEM1, Physiologie, Université Bordeaux2, Dr Gérard Manier : [email protected] 1. Caractéristiques physiques 1.2. Pressions (2) 2 Osmotique(3) : C osmolaire : osmoles/L ou kg de solvant Nb de particules (chargées ou non) Osmolarité (Nb/litre de solvant) : 295 mOsm/L Osmolalité (Nb/masse de solvant) Ne pas confondre C osmolaire avec : C molaire (SI) : Moles/L ou mMoles/L C massique : Kg/L C équivalente : Eq/L=(n charges + )/L Pression résultante(4) : exemples Régulation du Milieu intérieur (2010), PCEM1, Physiologie, Université Bordeaux2, Dr Gérard Manier : [email protected] Pression osmotique au travers d’une membrane semi perméable Régulation du Milieu intérieur (2010), PCEM1, Physiologie, Université Bordeaux2, Dr Gérard Manier : [email protected] Pression hydrostatique et osmotique au travers d’une mb ½ perméable Sans osmole Avec osmoles en 2 Si C2> C1, la hauteur h établit une pression hydrostatique qui équilibre la pression osmotique en 2. Régulation du Milieu intérieur (2010), PCEM1, Physiologie, Université Bordeaux2, Dr Gérard Manier : [email protected] 1. Caractéristiques physiques (3) 1.3. Compliance des compartiments: (schémas) Régulation du Milieu intérieur (2010), PCEM1, Physiologie, Université Bordeaux2, Dr Gérard Manier : [email protected] Volume vasculaire et pression transmurale. Conséquences. Régulation du Milieu intérieur (2010), PCEM1, Physiologie, Université Bordeaux2, Dr Gérard Manier : [email protected] 2. Répartition de l’Eau (plan global) 2. 1 Eau extra cellulaire = 45% A B C D F : : : : : plasma = 7.5% interstitiel et lymphe = 20% Conjonctif et cartilage = 7.5% Os = 7.5% Eau trans-cellulaire = 2.5% 2.2. Eau Intra cellulaire : 55% 2.3. Modélisation Vol./Posm Régulation du Milieu intérieur (2010), PCEM1, Physiologie, Université Bordeaux2, Dr Gérard Manier : [email protected] Répartition de l’Eau entrées Eau totale : Si A+B+C+D+E+F+D =100% A+B +C+D+F = 45% et E = 55% Eau rapidement échangeable : A+B+E = 100% A+B = 33% = ½E = ½ 66% Échanges Rapides Lents sorties Régulation du Milieu intérieur (2010), PCEM1, Physiologie, Université Bordeaux2, Dr Gérard Manier : [email protected] 2. Répartition de l’Eau (1 de 6) 2. 1 Eau extra cellulaire = 45% 2.1.1 Eau EC: Intra vasculaire : 7.5% A : Contenu intra vasculaire = le sang 1 1 phase cellulaire : 3 types de cellules phase extra cellulaire : le plasma a) Fonctions principales du sang Transport, Signalisation, Défenses, Caractères génétiques, Hémostase. b) Caractéristiques physiques Coloration de l’hémoglobine, Viscosité Poids spécifique des globules Vitesse de sédimentation et Hématocrite Volume Sanguin = 1/13 Masse Corporelle Régulation du Milieu intérieur (2010), PCEM1, Physiologie, Université Bordeaux2, Dr Gérard Manier : [email protected] Viscosité dynamique Régulation du Milieu intérieur (2010), PCEM1, Physiologie, Université Bordeaux2, Dr Gérard Manier : [email protected] Vitesse de sédimentation, hématocrite VS hématocrite Régulation du Milieu intérieur (2010), PCEM1, Physiologie, Université Bordeaux2, Dr Gérard Manier : [email protected] Volume sanguin et volume plasmatique Vgr Vsg-Vpl Hm = = Vsg Vsg Hm x Vsg = Vsg - Vpl = Vgr Vpl = Vsg x 1-Hm Vsg = Vpl 1-Hm Régulation du Milieu intérieur (2010), PCEM1, Physiologie, Université Bordeaux2, Dr Gérard Manier : [email protected] 2. Répartition de l’Eau (2 de 6) 2. 1 Eau extra cellulaire = 45% 2.1.1 Eau EC: Intra vasculaire : 7.5% A : Contenu intra vasculaire = le sang 2 2 2 c) Le plasma : Eau plasmatique : 7.5% Constituants : Substances organiques principales: Protéines, Glucides, Lipides, Urée, Créatinine, Bilirubine, etc… Electrolytes : Anions (-), Cations (+) Ions dominants : Na+, Cl Osmolarité : 295 mosmoles/L Régulation du Milieu intérieur (2010), PCEM1, Physiologie, Université Bordeaux2, Dr Gérard Manier : [email protected] 2. Répartition de l’Eau (3 de 6) 2. 1 Eau extra cellulaire = 45% 2.1.1 Eau EC: Intra vasculaire : 7.5% B) Contenant : Les vaisseaux 3 3 a) Organisation en série et en parallèle b) Mécanique pariétale Grande circulation systémique : Très résistive, peu compliante Distributive viscérale en parallèle Petite circulation ou Circ. pulmonaire Peu résistive, très Compliante Fonctionnelle pulmonaire Régulation du Milieu intérieur (2010), PCEM1, Physiologie, Université Bordeaux2, Dr Gérard Manier : [email protected] 2. Répartition de l’Eau (4 de 6) 2. 1 Eau extra cellulaire = 45% 2.1.1 Eau EC: Intra vasculaire : 7.5% C) Interactions contenant- contenu : lois : 4 4 a) Pression luminale et tension pariétale : loi de Laplace: T(Tension en newton) = P (pression en Pa) x r (rayon en m) b) Perte de charge intra luminale en écoulement laminaire ΔP = R (résistance) x Q’sg (débit sg) : loi d’Ohm c) Répartition du sang : statique : f (poids du sang et compliance des vx) dynamique : f(résistances en //) d) Vitesse circulatoire = débit/section, l3/s) / l2 = l/s Régulation du Milieu intérieur (2010), PCEM1, Physiologie, Université Bordeaux2, Dr Gérard Manier : [email protected] Circulation du sang Petite circulation Grande circulation Régulation du Milieu intérieur (2010), PCEM1, Physiologie, Université Bordeaux2, Dr Gérard Manier : [email protected] 2. Répartition de l’Eau (5 de 6) 2. 1 Eau extra cellulaire = 45% 5 2.1.2 Eau EC : Extra Vasculaire A) Compartiment interstitiel : 20% Localisation : vaisseaux dans l’eau interstitielle Composition électrolytique : ultra filtrat du plasma Propriétés mécaniques : Volumes/Pressions statiques Pression extra vasculaire du lieu d’immersion Osmolarité : 295 mOsmoles/L B) Autres compartiments extracellulaires : 17.5% os, conjonctif, eau des séreuses, les échanges sont plus lents. Régulation du Milieu intérieur (2010), PCEM1, Physiologie, Université Bordeaux2, Dr Gérard Manier : [email protected] 2. Répartition de l’Eau (6 de 6) 2.2. Eau intra Cellulaire: 55% Localisation : voir modélisation Composition électrolytique différente Au repos électrique, ion dominant K+ La dépolarisation change peu les concentrations osmolarité = 295 mOsmoles Propriétés mécaniques : Volumes/Pressions statiques Pression du lieu d’immersion. Osmolarité : 295 mOsmoles/L 2.3. Modélisation V= f(Posm) Régulation du Milieu intérieur (2010), PCEM1, Physiologie, Université Bordeaux2, Dr Gérard Manier : [email protected] EC Osmolarité Modèle d’échanges entre EC et IC IC Régulation du Milieu intérieur (2010), PCEM1, Physiologie, Université Bordeaux2, Dr Gérard Manier : [email protected] Modèle d’échanges entre EC et IC Régulation du Milieu intérieur (2010), PCEM1, Physiologie, Université Bordeaux2, Dr Gérard Manier : [email protected] Échanges transmembranaires passifs 1 - Eau circulante et eau statique 2 - Eau et membrane ½ perméable 3 - Substances et membrane perméable Régulation du Milieu intérieur (2010), PCEM1, Physiologie, Université Bordeaux2, Dr Gérard Manier : [email protected] 1. Eau circulante et eau statique 1.1 Facteurs d’échanges a) b) c) d) Localisation capillaire exclusive, Perméabilité aux ions (pores endothéliaux), Imperméabilité aux protéines, Nature de la Pression transmurale : - Pression intra capillaire dynamique - Pression extra capillaire statique - Pression transmurale onkotique (protéines) 1.2 Modélisation des échanges Régulation du Milieu intérieur (2010), PCEM1, Physiologie, Université Bordeaux2, Dr Gérard Manier : [email protected] Pression transmurale le long d’un capillaire (Équilibre de Starling) Régulation du Milieu intérieur (2010), PCEM1, Physiologie, Université Bordeaux2, Dr Gérard Manier : [email protected] 2. Eau et membrane ½ perméable 1 de 10 2.1 Modèle de l’organisme utilisé. Voir schéma Hypothèses - membranes ½ perméables inter compartimentales - la pression transmurale capillaire est oubliée. 2.2 Nature des perturbations du cp. plasmatique Interface et échanges avec l’environnement Conventions sur pertes/gains d’eau et d’osmoles. Expression des besoins par les symptômes. Régulation du Milieu intérieur (2010), PCEM1, Physiologie, Université Bordeaux2, Dr Gérard Manier : [email protected] Modèle compartimental à l’état normal 1) Entrées et Sorties de l’organisme modifient en premier la composition du comp. EC intra vasculaire. [osm] Entrées & capteurs Sorties EC = 45% Pl Volume + GR IC = 55% I 0 Volume + 2) L’activité cellulaire modifie le compartiment cellulaire actif avec un retentissement + sur le compartiment EC. 2) Les capteurs génèrent l’information de modification du milieu intra cellulaire là où ils se situent différent de là où l’activité se produit. Régulation du Milieu intérieur (2010), PCEM1, Physiologie, Université Bordeaux2, Dr Gérard Manier : [email protected] Modèle compartimental à l’état normal [osm] + EC Volume + IC 0 Volume + Régulation du Milieu intérieur (2010), PCEM1, Physiologie, Université Bordeaux2, Dr Gérard Manier : [email protected] Conventions : pertes/gains, eau et osmoles Pertes/Gains langage = Iso osmolaires P/G d’eau Hyper osmolaires P/G de sels Hypo osmolaires P/G d’eau P/G de sels > > P/G d’eau P/G de sels Régulation du Milieu intérieur (2010), PCEM1, Physiologie, Université Bordeaux2, Dr Gérard Manier : [email protected] 2. Eau et membrane ½ perméable 2 de 10 2.3 Notion d’eau libre : Eau qu’il faut ajouter ou retrancher à un soluté de Volume V pour le rendre iso osmotique. 2.4 Analyse dynamique des perturbations. état initial du compartiment plasmatique états transitoires successifs état stable final Régulation du Milieu intérieur (2010), PCEM1, Physiologie, Université Bordeaux2, Dr Gérard Manier : [email protected] 2. Eau et membrane ½ perméable 3 de 10 2.4 Interprétations des différents états Perturbation initiale plasmatique : 1. 2. 3. 4. Volume plasmatique ? Osmolarité plasmatique ? Variation Eau totale et Poids Sens des mouvements d’Eau État final : 1. 2. 3. 4. 5. Hydratation EC et IC Eau totale et Poids Osmolarité globale Q osmoles (sels) de l’organisme Symptômes éventuels, prévisions régulatrices Régulation du Milieu intérieur (2010), PCEM1, Physiologie, Université Bordeaux2, Dr Gérard Manier : [email protected] 2. Eau et membrane ½ perméable 4 de 10 2.5 Principales perturbations physiologiques Apports d’eau > apports de sels Exemple : boire de l’eau pure Équivalent d’un gain d’eau libre Régulation du Milieu intérieur (2010), PCEM1, Physiologie, Université Bordeaux2, Dr Gérard Manier : [email protected] Boire de l’Eau pure 1 de 4 1 : perturbation initiale 1) VEC et V plasmatique ↗ 2) Eau totale et Poids ↗ 3) [osm] plasmatique ↘ [osm] + 1 + VEC EC IC 0 + VIC Régulation du Milieu intérieur (2010), PCEM1, Physiologie, Université Bordeaux2, Dr Gérard Manier : [email protected] Boire de l’Eau pure 2 de 4 2 : mouvements 1) VEC, Vplasm., Vinter ↗ 2) Eau totale et Poids ↗ 3) [osm]plasm & inter. ↘ [osm] + 2 + VEC EC IC 0 + VIC Régulation du Milieu intérieur (2010), PCEM1, Physiologie, Université Bordeaux2, Dr Gérard Manier : [email protected] Boire de l’Eau pure 3 de 4 3 : mouvements [osm] + 3 + VEC EC IC 0 + VIC Régulation du Milieu intérieur (2010), PCEM1, Physiologie, Université Bordeaux2, Dr Gérard Manier : [email protected] Boire de l’Eau pure 4 de 4 état final stable 1) 2) 3) 4) Hyperhydratation globale, Poids augmenté, Hypoosmolarité. Dégoût de l’eau, nausées. + VEC [osm] + EC IC 0 + VIC mécanisme comparable : gain d’eau hypotonique Régulation du Milieu intérieur (2010), PCEM1, Physiologie, Université Bordeaux2, Dr Gérard Manier : [email protected] 2. Eau et membrane ½ perméable 5 de 10 Pertes d’eau > pertes de sels; Exemple : perdre de la sueur Équivalent d’une perte d’eau libre Régulation du Milieu intérieur (2010), PCEM1, Physiologie, Université Bordeaux2, Dr Gérard Manier : [email protected] Perdre de la sueur 1 de 4 1 : perturbation initiale 1) 2) 3) 4) 5) [osm] 1 Eau totale ↘ Poids ↘ Volémie ↘ Nb osmoles ↘ Osmolarité ↗ EC VEC + IC 0 VIC + L’osmolarité de la sueur est d’environ 150 mosmoles Pertes d’eau > pertes de sels → Deshydratation/Concentration Régulation du Milieu intérieur (2010), PCEM1, Physiologie, Université Bordeaux2, Dr Gérard Manier : [email protected] Perdre de la sueur 2 de 4 2 : mouvements [osm] 2 EC VEC + IC 0 VIC + Régulation du Milieu intérieur (2010), PCEM1, Physiologie, Université Bordeaux2, Dr Gérard Manier : [email protected] Perdre de la sueur 3 de 4 3 : mouvements [osm] 3 EC VEC + IC 0 VIC + Régulation du Milieu intérieur (2010), PCEM1, Physiologie, Université Bordeaux2, Dr Gérard Manier : [email protected] Perdre de la sueur 4 de 4 état final stable [osm] 1) 2) 3) 4) 5) Deshydratation globale Poids ↘ Volémie ↘ Hyperosmolarité Soif EC VEC + IC 0 VIC + Régulation du Milieu intérieur (2010), PCEM1, Physiologie, Université Bordeaux2, Dr Gérard Manier : [email protected] 2. Eau et membrane ½ perméable 6 de 10 Problème : Boire de l’eau pure après sudation Régulation du Milieu intérieur (2010), PCEM1, Physiologie, Université Bordeaux2, Dr Gérard Manier : [email protected] Boire de l’eau pure après sudation état final stable EC VEC + IC 0 VIC + Régulation du Milieu intérieur (2010), PCEM1, Physiologie, Université Bordeaux2, Dr Gérard Manier : [email protected] Boire de l’eau pure après sudation Commentaires : 1) Boire de l’eau pure après sudation, normalise l’osmolarité à un moment où le sujet n’a pas encore récupéré les osmoles qu’il a perdues en suant. 2) Pour [osmoles] normale avec Q osmoles diminuée, V, le volume de dilution des osmoles est nécessairement inférieur à celui de l’état initial. 3) Le sujet ne récupérera une hydratation normale qu’après consommation supplémentaire de sels et d’eau pure. Cette démarche ne peut se produire que pendant la phase de récupération. Régulation du Milieu intérieur (2010), PCEM1, Physiologie, Université Bordeaux2, Dr Gérard Manier : [email protected] 2. Eau et membrane ½ perméable 7 de 10 Pertes de sels > pertes d’eau; Régulation du Milieu intérieur (2010), PCEM1, Physiologie, Université Bordeaux2, Dr Gérard Manier : [email protected] Pertes de sels > pertes d’eau 1 de 2 perturbation initiale 1) 2) 3) 4) 5) [osm] Eau totale ↘ Poids ↘ Volémie ↘ Nb osmoles ↘ Osmolarité ↘ + IC EC Volume + 0 Volume + Régulation du Milieu intérieur (2010), PCEM1, Physiologie, Université Bordeaux2, Dr Gérard Manier : [email protected] Pertes de sels > pertes d’eau 2 de 2 état final 1) 2) 3) 4) 5) 6) [osm] Eau totale ↘ Deshydratation EC Hyperhydratation IC Poids ↘ Volémie ↘ Hypoosmolarité + IC EC Volume + 0 Volume + Régulation du Milieu intérieur (2010), PCEM1, Physiologie, Université Bordeaux2, Dr Gérard Manier : [email protected] 2. Eau et membrane ½ perméable 8 de 10 Apports de sels > apports d’eau Régulation du Milieu intérieur (2010), PCEM1, Physiologie, Université Bordeaux2, Dr Gérard Manier : [email protected] Apports de sels > apports d’eau Par voie entérale : si le sujet boit de l’eau de mer, il pourra se produire des mouvements d’eau initiaux de l’organisme (osmolarité normale) vers le tube digestif (hyper osmolarité) avec diarrhée (purge saline), déshydratation globale hyper osmolaire + IC EC Volume + 0 Volume + Régulation du Milieu intérieur (2010), PCEM1, Physiologie, Université Bordeaux2, Dr Gérard Manier : [email protected] Apports de sels > apports d’eau Par voie parentérale : [osm] + IC EC Volume + 0 Volume + Régulation du Milieu intérieur (2010), PCEM1, Physiologie, Université Bordeaux2, Dr Gérard Manier : [email protected] Apports de sels > apports d’eau [osm] + IC EC Volume + 0 Volume + Régulation du Milieu intérieur (2010), PCEM1, Physiologie, Université Bordeaux2, Dr Gérard Manier : [email protected] 2. Eau et membrane ½ perméable 9 de 10 Dans un système compartimental séparé par des membranes semi perméables, les variations de l’osmolarité plasmatique (la natrémie) entraîne des mouvements d’eau inter compartimentaux. Bien que dans l’organisme, l’osmolarité et le volume plasmatique soient des variables régulées, l’hydratation globale, à un moment donné, dépendra beaucoup de la quantité d’osmoles de l’organisme donc de la quantité de sodium (pool sodé). Régulation du Milieu intérieur (2010), PCEM1, Physiologie, Université Bordeaux2, Dr Gérard Manier : [email protected] 2. Eau et membrane ½ perméable 9 de 10 Volumes : Quand la pression artérielle systémique est préservée, le volume d’eau de l’organisme dépend de la quantité d’osmoles dont la concentration est stabilisée autour d’une valeur de consigne (295mOsmoles) dans le plasma, donc : 1) l’hydratation globale dépend du nombre d’osmoles principalement représenté par le Na+ et son anion associé (pool sodé). 2) Les variations rapides du poids corporel dépendent des variations de l’hydratation globale donc du pool sodé. Mouvements transmembranaires : Les différences de C de part et d’autres des membranes font le mouvement d’eau et les volumes compartimentaux respectifs dépendant donc principalement de la natrémie. Régulation du Milieu intérieur (2010), PCEM1, Physiologie, Université Bordeaux2, Dr Gérard Manier : [email protected] 3. Substances et membranes perméables 3.1 Passage transmembranaire des substances Passif : obéit à des lois physiques Gradients de diffusion et gradients de potentiels Interactions substance et membrane propriétés de la membrane Pores, dimensions Canaux spécifiques propriétés de la substance Poids moléculaire, taille Solubilité dans la membrane (liposolubilité) Charge électrique Facilitation Rôle de l’agitation moléculaire et de T absolue Actif : consomme de l’énergie : non abordé ici. Régulation du Milieu intérieur (2010), PCEM1, Physiologie, Université Bordeaux2, Dr Gérard Manier : [email protected] 1 3. Substances et membranes perméables 2 3.2 Quantification des échanges de substances Flux de substances : Cas général Flux = débit rapporté à la section au travers de laquelle s’établit le débit. Flux = débit normalisé au travers d’une section de 1m2. Unités Flux massique : Kg/s/m2 Flux molaire de substance = moles/s/m2 Flux de charges électriques = valence x moles/s/m2 . M S . ou bien M S Régulation du Milieu intérieur (2010), PCEM1, Physiologie, Université Bordeaux2, Dr Gérard Manier : [email protected] 3. Substances et membranes perméables 3 3.3 Bilan de flux ou flux net de substances Lorsqu’une substance est présente de part et d’autre d’une membrane cellulaire, le flux net, positif ou négatif résulte d’un bilan des entrées (positives) et des sorties (négatives) de substance. net entrant + sortant net positif + négatif . . . M net M E M S à l'état stable, S E S S net 0 Régulation du Milieu intérieur (2010), PCEM1, Physiologie, Université Bordeaux2, Dr Gérard Manier : [email protected] 3. Substances et membranes perméables 3.4 Les différents Flux : Flux et gradient de Concentration molaire, Flux et gradient de Potentiel, Bilan de flux, Bilan de flux = 0 : Équation de Nernst, Autre aspect de l’équation de Nernst. Régulation du Milieu intérieur (2010), PCEM1, Physiologie, Université Bordeaux2, Dr Gérard Manier : [email protected] 4 Flux par gradient de concentration 3.4.1 Flux et gradient de Concentration molaire. Diffusion molaire : Hypothèses : Gradient de potentiel =0 dV/dx = 0 Régulation du Milieu intérieur (2010), PCEM1, Physiologie, Université Bordeaux2, Dr Gérard Manier : [email protected] 3. Substances et membranes perméables 3.4.1 Flux et gradient de concentration molaire Diffusion molaire : Net e i e p . Ce et i p . C i net p . C e C i D avec p xo . net D M net . C e C i S xo . net dC M net D . dx S Régulation du Milieu intérieur (2010), PCEM1, Physiologie, Université Bordeaux2, Dr Gérard Manier : [email protected] 5 3. Substances et membranes perméables Conductance K et résistance R diffusionnelles Net D . C e C i xo . Net M net S . M net Net . S . D . C e C i . S xo . 1 K . C e C i . C e C i R M net M net C e C i R . . M net Régulation du Milieu intérieur (2010), PCEM1, Physiologie, Université Bordeaux2, Dr Gérard Manier : [email protected] 6 Flux par gradient de potentiel 3.4.2 Flux et gradient de potentiel Diffusion électrique : C Hypothèses : C Gradient de concentration =0 dC/dx = 0 Régulation du Milieu intérieur (2010), PCEM1, Physiologie, Université Bordeaux2, Dr Gérard Manier : [email protected] 3. Substances et membranes perméables 7 Flux selon un gradient de potentiel Diffusion molaire (pour mémoire) Diffusion électrique Net e i e p . Ce i p . Ci Net e i e pe . z . C . Ve i pe . z . C . Vi D net diff p . Ce Ci avec p xo net élec pe . z . C . Ve Vi D . Ce Ci net diff xo net élec xo . z . C . Ve Vi . . dC M net diff D . dx S avec net élec . z . C . dV M net dx S Régulation du Milieu intérieur (2010), PCEM1, Physiologie, Université Bordeaux2, Dr Gérard Manier : [email protected] pe xo 3. Substances et membranes perméables 8 Conductance K et résistance R électrique . I M .F .z : (môles/s) (coulombs/môle) valence = ± coulombs/s = ampères D'autre part le débit de charges électriques = . M Net . S C . M C x0 . z . C . S . Ve Vi On en déduit que : F . . z2 . C . S I Ve Vi x0 I G . Ve Vi 1 Ve Vi . I R . I G Régulation du Milieu intérieur (2010), PCEM1, Physiologie, Université Bordeaux2, Dr Gérard Manier : [email protected] 3. Substances et membranes perméables 3.4.3 Somme des flux de substances dC . z . C . net net diff net élec D dx F D R T dV F .D net élec - . z . C . .z .C . dx R.T dC dV . D . z . C . net D . dx dx dC dV net D . C . z . . dx dx dV dx dV dx Régulation du Milieu intérieur (2010), PCEM1, Physiologie, Université Bordeaux2, Dr Gérard Manier : [email protected] 9 3. Substances et membranes perméables 3.4.4 Flux net = O équation de Nernst Démonstration : dC dV C.z. . dx dx net D on multiplie par 1 = e z. .V donc : e z. .V dC dV e z. .V net D x C . z . . dx e z. .V dx e z. .V x dC e z. .V C. z. dV net D x dx dx e z. .V 1 z. .V z. .V e e e z. .V . dC e z. .V x z. .C.dV net D e z. .V . dx 1 on sait que : d e x e x.dx donc : d .e z. .V e z. .V .z. .dV e z. .V . dC C . d e z. .V net D e z. .V x dx on sait que : d a.b a.d b b.d a en posant : a e z. .V et b C on peut écrire : net D e z. .V x d C x e z. .V dx 10 3. Substances et membranes perméables 3.4.5 Activité électrochimique d’un ion net D e z. .V x d C x e z. .V =0 implique dx pour que la dérivée suivante s'annule il faut que : d C x e z. .V dx = 0 implique : C x e z. .V = constante = activité électrochimique de l'ion la même Cte en intra et extra cellulaire donc : Ce x e z. .Ve = Ci x e z. .Vi Régulation du Milieu intérieur (2010), PCEM1, Physiologie, Université Bordeaux2, Dr Gérard Manier : [email protected] 11 3. Substances et membranes perméables 12 3.4.6 Autre aspect de l’équation de Nernst Ce x e z. .V Ci x e z. .V Log Ce x e z. .V Log Ci x e z. .V e i e i LogCe Log e z. .Ve LogCi Log e z. .Vi LogCe LogCi Log e z. .Vi Log e z. .Ve Log Ce z. .Vi z. .Ve z. Vi Ve Ci F on peut écrire : R T C R .T Ve Vi F . z . Log C i e puisque Ci 61 Ve Vi z . log C e Ce 61 Ve Vi z . log C i des Log népériens aux décimaux : Ve Vi ou bien : C R .T . 2.3.log i Ce F .z R .T 61 F C C 61 61 Ve Vi z . log C i z . log Ce e i 2.3 . Régulation du Milieu intérieur (2010), PCEM1, Physiologie, Université Bordeaux2, Dr Gérard Manier : [email protected] 3. Substances et membranes perméables 3.4.7 Application à un canal ionique ouvert: 12 Bilan de flux nul obtenu : Lorsqu’un ion est présent de part et d’autre d’une membrane perméable, le bilan de flux s’annule pour i) un seul couple de valeurs de concentration Extra/Intra cellulaires; ii) un seul couple de valeurs, de potentiels Extra/Intra cellulaire pour que : Flux diffusionnels molaire + Flux électrique = 0. Un canal ionique ouvert ne voit passer aucun ion dans ce cas. Bilans de flux non nuls : Lorsque la ddp transmembranaire change un mouvement ionique s’établit selon le bilan des flux. Le déplacement des ions génère un courant d’intensité i dans le sens dépendant de la charge + ou - de l’ion tant que le canal reste ouvert selon la relation ΔU=R*i ou bien i=G*ΔU où R et G sont respectivement la résistance et la conductance du canal ouvert. Régulation du Milieu intérieur (2010), PCEM1, Physiologie, Université Bordeaux2, Dr Gérard Manier : [email protected] Glossaire 1. D = coefficient de diffusion Le coefficient D exprime le rapport entre : énergie potentielle de la substance liée à l’agitation thermique. énergie nécessaire pour traverser la membrane (barrière d’énergie) qui dépend des caractères de la membrane mais aussi de la substance pour la membrane considérée. D augmente quand l’agitation thermique augmente et quand la barrière d’énergie diminue et inversement. 2. p = perméabilité diffusionnelle p est proportionnelle à la diffusion moyenne D de la substance au travers de la membrane considérée. p est inversement proportionnelle à l’épaisseur x0 de la membrane. donc p = D/x0 3. K = Conductance diffusionnelle C’est la perméabilité multipliée par la surface : D*S/e 4. R = Résistance diffusionnelle 1. η = diffusion électrique Le coefficient η exprime le rapport entre : énergie potentielle de la particule chargée liée à la différence de potentiel. énergie nécessaire pour traverser la membrane (barrière d’énergie) qui dépend des caractères de la membrane mais aussi de la substance pour la membrane considérée. η augmente quand la différence de potentiel augmente et quand la barrière d’énergie diminue et inversement 2. pe = perméabilité électrique pe ’est proportionnelle la diffusion électrique η de la substance au travers de la membrane. pe est inversement proportionnelle à l’épaisseur x0 de la membrane. Donc pe = η/xO 3. z = valence de la particule chargée 4. F = constante de Faraday = 96496 coulombs par môle de substance univalente. η/D = F/ (R x T) = β C’est l’inverse de la conductance Régulation du Milieu intérieur (2010), PCEM1, Physiologie, Université Bordeaux2, Dr Gérard Manier : [email protected] Conclusions : Les perturbations du milieu intérieur dépendent : 1) De l’activité de l’organisme donc du métabolisme intermédiaire 2) Des échanges avec l’environnement Le retour à la stabilité dépend (entre autres) des régulations de : 1) la pression artérielle systémique, 2) la volémie, 3) l’osmolarité plasmatique.