UV_103_BASES_PHYSIO_MET_REIN

BASES DE PHYSIOLOGIE
UV 103
METABOLISME DE L’EAU ET DES IONS
PHYSIOLOGIE RENALE
P. PILARDEAU
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LES IONS ET L’EAU DANS L’ORGANISME
I GENERALITES
Le corps humain est composé de 60 à 70% d’eau. Cette eau se répartit dans deux
compartiments, intra et extracellulaire. Ce dernier peut être lui même scindé en un milieu vasculaire et
un milieu extracellulaire encore appelé interstitium (ou milieu interstitiel).
Milieu vasculaire
Milieu cellulaire
Interstitium
Milieu extravasculaire
Ces trois milieux communiquent en permanence entre eux.
1.1 Répartition des ions
Les ions et les éléments figurés sont répartis de façon très différente entre les trois
compartiments.
1.1.1 Milieu vasculaire
Le milieu vasculaire présente la particularité de contenir des ions, des protéines et des
éléments figurés (globules rouges, globules blancs, plaquettes).
= Eléments figurés
Les érythrocytes restent, leur vie durant, dans le milieu vasculaire. Leur taille ne leur permet
pas de franchir le filtre rénal. En cas d’atteinte glomérulaire des hématies peuvent être retrouvées dans
les urines, on parle alors d’hématurie. L’hémorragie correspond à une fuite des hématies vers
l’extérieur du corps ou dans une cavité organique (hémorragie interne). En cas d’hémolyse
(destruction des globules rouges, le sang peut contenir de l’hémoglobine libre (hémoglobinémie), qui
sera finalement filtrée et éliminée dans les urines (hémoglobinurie).
Les globules blancs peuvent dans certaines conditions (processus inflammatoire, infection...)
traverser les parois vasculaires et migrer vers l’interstitium.
Les plaquettes sont des fragments de cellules plus importantes (les thrombocytes). Elles sont
utilisées pour boucher les brèches vasculaires en cas d'hémorragie.
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= Les protéines
Les protéines plasmatiques, ou circulantes, sont en majorité synthétisées par le foie. Leurs
fonctions sont diverses comme le transport (transferrine, albumine, céruléoplasmine...), la lutte contre
les agents pathogènes (immunoglobulines), la solubilisation de lipides (lipoprotéines), la fonction
hormonale (érythropoïetine, insuline...)...
La concentration plasmatique de ces protéines est comprise entre 68 et 75 g/l.
La taille très variable de ces protéines fait qu’un certain nombre d’entre elles peuvent franchir
le filtre rénal (albumine, bêta 2 microglobuline...).
Les protéines présentent une charge électrique négative et un pouvoir osmotique appelé
pouvoir oncotique.
= Les ions
On distingue les ions positifs, ou cations, et les ions négatifs ou anions. La composition
ionique du plasma est assurée en permanence par le rein.
Cations
Sodium Na
140 / 142 mEq/l
Potassium K
Chlore
3,5 / 4,5 mEq/l Bicarbonates ou
réserve alcaline
2,5 mmol/l ou 5 mEq/l
Protéines
Calcium
Magnésium
Oligo-éléments
Total
Anions
5 mEq/l
Sulfates
Phosphates
155 mEq/l
100 mEq/l
25 à 27 mEq/l
15 mEq/l
15 mEq/l
155 mEq/l
Tous les ions sont filtrés au niveau du glomérule et réabsorbés ou excrétés au niveau des
tubules rénaux.
L’osmolarité du plasma est égale à la somme des osmolarités anionique et cationique soit
310 mOsm/l .
On parlera de dilution plasmatique quand l’osmolarité sera inférieure à 300 mOsm/l, et de
déshydratation quand l’osmolarité sera supérieure à 310 mOsm/l.
= Autres constituants du plasma
Le plasma contient également du glucose, de l’urée, de la créatinine, de l’acide lactique
(même au repos), de l’acide urique et des oligo-éléments comme le cuivre, le zinc, le sélénium...
1.1.2 Interstitium
L’interstitium est un lieu de passage obligé pour l’eau et les ions, entre le système vasculaire
et le milieu cellulaire. Il s’agit d’un milieu pauvre en protéine et contenant les mêmes concentrations
ioniques que le plasma.
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1.1.3 Milieu intra cellulaire
Le milieu intracellulaire est en équilibre osmotique avec le milieu extracellulaire. La
principale différence entre les deux milieux porte essentiellement sur les concentrations en sodium 10
à 15 mEq/l) et en potassium (80 à 100 mEq/l). L’équilibre osmotique est obtenu du fait de la grande
quantité de protéines (enzymatiques pour la majorité d’entre elles, présentes dans le cytoplasme).
1.2 Osmolarité
L’osmolarité s’exprime en mOsm/l. Cette unité exprime la pression que peut exercer une
substance dissoute dans un liquide.
La notion d’osmolarité est issue d’une expérience simple comprenant deux milieux aqueux
séparés par une membrane semi-perméable (permettant les transferts d’eau mais imperméable aux
substances dissoutes).
.
A
B
Si la concentration entre les deux milieux est identique, le niveau des deux compartiments est stable.
Si l’on ajoute des substances en solution dans l’un des deux compartiments, on observe alors une
différence de niveau de part et d’autre de la membrane semi-perméable ; Cette différence, qui peut
s’exprimer en terme de pression (hauteur d’une colonne d’eau) correspond à un passage d’eau du
milieu le moins concentré vers le milieu le plus concentré.
A
B
A
B
d
La paroi entre le milieu vasculaire et l’interstitium d’une part, et la membrane cellulaire
d’autre part peuvent être assimilées à des membranes semi-perméable.
Si le milieu plasmatique est très concentré en sodium, l’eau sortira des cellules et par
l’interstitium gagnera le système vasculaire. Autrement dit, une déshydratation extracellulaire sera
immédiatement suivie d'une déshydratation intracellulaire.
La réciproque est vraie et peut s’appliquer pour les mécanismes de dilution.
Les ions ne sont pas les seules molécules susceptibles de présenter un pouvoir osmotique. Les
protéines et le glucose présentent un pouvoir osmotique également très important.
Lors des sudations importantes les masses d’eau se déplacent vers le tissu cutané pour favoriser les
échanges thermiques et vers les muscles en activité. Ces déplacements liquidiens provoquent une
relative hypovolémie des territoires digestifs responsables d’une ischémie locale. Celle-ci est à
l’origine de lésions digestives pariétales susceptibles de saigner pendant l’exercice, et surtout après
celui-ci. Il s’agit du mécanisme connu sous le nom d’ischémie/reperfusion.
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La sudation provoque une déshydratation extracellulaire, et par voie de conséquence une
concentration des éléments et des métabolites sanguins (sodium, chlore, hématocrite, protéines...),
bientôt généralisée à l’ensemble de l’organisme (déshydratation intra et extra cellulaire)..
II METABOLISME DES IONS
2.1 Métabolisme du sodium
Le sodium est le cation le plus abondant présent dans les liquides corporels. Sa localisation est
essentiellement extracellulaire (140 mEq/l dans le plasma pour seulement 10 à 15 mEq/l dans les
cellules). Le sodium plasmatique est directement échangeable avec les autres compartiments de
l’organisme, par simple diffusion dans les espaces extracellulaires, par mécanisme actif dans les
liquides de sécrétion et les cellules.
Outre son rôle métabolique, le sodium présente un très fort pouvoir osmotique (tout
déplacement de sodium d’un compartiment à un autre est obligatoirement accompagné d’un
déplacement d’eau).
Le sodium ingéré franchit rapidement le pylore si sa concentration stomacale est hypotonique
à la valeur plasmatique. Au niveau intestinal, il est rapidement absorbé par simple diffusion ou par
diffusion facilitée avec le glucose (modèle de Crâne).Le sodium est éliminé dans la sueur, les matières
fécales, les sécrétions muqueuses et séreuses et surtout dans les urines.
La régulation du sodium est essentiellement rénale. Elle est le fait des échanges au niveau de l’anse de
Henlé et de l’action de l’aldostérone sur le tube contourné distal du rein.
L’aldostérone est sécrétée lors de la baisse de la pression artérielle rénale, des mécanismes de
dilution du sodium, des déshydratations et des hyperkalièmies
2.2 Métabolisme du potassium
Le potassium est un cation essentiellement intracellulaire (100 mEq/l) pour seulement 3, 5
mEq/l dans le plasma. Ce déséquilibre, indispensable à la survie cellulaire est le fait de la pompe à
sodium/potassium placée dans la membrane de toutes les cellules.
Le maintien de la concentration plasmatique est essentielle sur le plan métabolique. Toute
augmentation ou diminution brutale met la vie du sujet en danger par arrêt ou fibrillation cardiaque.
Le potassium alimentaire est absorbé par simple diffusion au niveau de la partie proximale de
l’intestin grêle (jéjunum).
Les sorties de potassium sont régulées au niveau intestinal (10%) et surtout rénal (90%). Il existe
une excrétion journalière obligatoire de potassium dans les urines (10 mEq/j).
C’est l’aldostérone qui régule les sorties de potassium au niveau de l’anse ascendante de Henlé en
échangeant un potassium contre un sodium.
2.3 Métabolisme du chlore
Le chlore suit essentiellement les variations du sodium. Il est en général réabsorbé ou excrété
avec ce dernier (tube proximal rénal, tube sudoripare, colon). Sauf dans de rares exceptions il n’existe
pas de dissociation sodium/chlore. Le cas de l’acidose chronique constitue un cas exceptionnel de
dissociation (quand la réserve alcaline baisse dans la colonne des anions, le chlore augmente pour
combler le trou anionique).
2.4 Métabolisme de l’eau
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L’eau suit de manière passive les variations osmolaires entre les compartiments. On parlera
donc :
De déshydratation extracellulaire quand ce seul compartiment sera touché
(début d’une sudation).
De déshydratation globale (cellulaire et extracellulaire) quand les deux
compartiments seront concernés (sudation abondante et prolongée).
De dilution (plasma) ou d’hyperhydratation (cellules) quand la tonicité
(osmolarité) des milieux est significativement diminuée. On peut par exemple voire s’installer une
déshydratation globale par sudation, suivie d’une hypohydratation intracellulaire si la réhydratation a
été réalisée avec de l’eau pure (non sodée).
Le métabolisme de l’eau est essentiellement sous la dépendance du rein et des hormones
chargées de stabiliser l’hydratation et le pool sodique organique. Toute modification de l’état
d’hydratation de l’organisme sera immédiatement pris en compte et stabilisé par une dilution ou une
concentration des urines.
METABOLISME RENAL
Le rein est un organe complexe chargé de maintenir l’homéostasie de l’organisme en assurant
l’élimination de déchets produits par le métabolisme (urée, ammoniaque, acide urique…), le bon
équilibre de l’eau et des ions (sodium, potassium, chlore…) et le pH plasmatique (bicarbonate,
protons, phosphates…). Il est en outre amené à réguler la synthèse des globules rouges par le biais
d’une hormone peptidique, l’érythropoïetine sécrétée en fonction des besoins en oxygène de
l’organisme. Le rein a pour origine une ébauche mésoblastique paire, métamérisée, située entre les
somites et les lames latérales
I - ANATOMIE
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Le rein des vertébrés, et de l’homme en particulier, est formé de plusieurs millions d’unités
fonctionnelles ou néphrons. Chaque néphron comprend :
1.1 Un glomérule
Le glomérule qui entre en contact direct avec les vaisseaux sanguins chargés de
l’ultrafiltration (les éléments figurés du sang et les grosses protéines ne franchissent pas le filtre).
Chambre glomérulaire
Lame basale
Cellules de Bowman
Cellules myoépithéliales
TCD
Artère afférente
Artère efférente
Le glomérule est tapissé de cellules, appelées cellules de Bowman. Ces cellules sont séparées
des artérioles par une membrane basale. Chaque glomérule rentre en contact avec une artériole
afférente chargée d’amener le sang artériel, et une artériole efférente destinée à collecter le sang filtré.
Chacune de ces artérioles est entourée de cellules myoépithéliales chargées de la vasoconstriction
locale.
1.2 Un tubule
Le tubule est lui-même formé de trois parties, un tube proximal, une anse s’enfonçant dans la
partie médullaire (anse de Henlé) et un tube contourné distal. C’est au niveau du tube que s’opèrent
les processus de réabsorption, d’excrétion et de concentration.
L’anse de Henlé comprend une partie grêle descendante, et une partie plus large qui occupe la
dernière partie de l’anse ascendante.
Glomérule
Tube contourné
proximal
Tube contourné
distal
CORTEX
Canal
collecteur
MEDULLAIRE
EXTERNE
Large
Hanse
de
Henlé
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MEDULLAIRE
INTERNE
Grêle
Unité glomérulo-tubulaire ou néphron
Chacun de ces trois segments assure une fonction propre, régulée par la pression sanguine, le volume
plasmatique et les hormones (vasopressine, aldostérone, facteur natriurétique…)..
II - PHYSIOLOGIE
Le rein humain est constitué de 1 à 3 millions de néphrons.
2.1 Echanges d’eau et de sodium
2.1.1 Glomérule
Le glomérule est chargé de l’ultrafiltration plasmatique. (180 l/jour). Son importance est
fonction de la pression capillaire, de la vitesse de traversée du glomérule et de la perméabilité de la
surface filtrante. Les éléments figurés du sang sont retenus derrière la membrane, de même que les
molécules protéiques de poids moléculaire élevé (lipoprotéines, immunoglobuline, alpha 2
macroglobuline…) tandis que les plus petites ( microglobuline, albumine, insuline …sont filtrées et
présentes en quantité plus ou moins grande dans l’urine primitive). Les hormones stéroïdes (sexuelles
entre autres) ou leurs produits de dégradation (hydroxy et céto-stéroïdes) franchissent sans difficulté
cette barrière..
180 l/24 h
Sodium 140 mEq/l
Sodium filtré 25 200 mEq/24 h
2.1.2 Tubule
Le tubule est chargé d’assurer la régulation de l’excrétion des électrolytes et de l’eau, des
bicarbonates et des protons.
+ Au niveau du tube proximal la réabsorption des électrolytes est
pratiquement iso-osmotique au plasma. Le sodium réabsorbé représente 67% de la quantité filtrée, le
chlore et les bicarbonates sont également réabsorbés, tandis que les protons bénéficient d’un échange
Na/H. Le glucose est également réabsorbé à ce niveau. Dans le tube proximal 60 à 70% du potassium
ultrafiltré est réabsorbé
Na+ Cl- H+ Na+
Ultra
filtrat
Bicarbonates
Glucose
K
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+ La branche de Henlé joue un rôle prépondérant dans la
réabsorption du sodium et de l’eau grâce à un système dit « à contre courant ». La réabsorption active
de sodium et de chlore dans sa partie ascendante (distale), provoque une augmentation très importante
de l’osmolarité médullaire responsable d’une sortie passive d’eau. Ce mécanisme est d’autant plus
efficace que la branche s’enfonce profondément dans la médullaire. 10 à 15% du potassium ultrafiltré
est réabsorbé à ce niveau.
Na K
Réabsorption passive
d’eau
Na Cl
H20
Na Cl
H20
Na Cl
Réabsorption active de sodium
Au niveau du segment descendant de l’anse de Henlé il n’existe pas de processus actif de
réabsorption de sodium. Ce segment est perméable à l’eau et aux électrolytes qui diffusent
passivement et maintiennent l’équilibre osmotique avec la médullaire.
Au niveau du segment large de l’anse de Henlé, 10% du NaCl filtré est réabsorbé de façon
active. Compte tenu d’une relative imperméabilité de cette partie de l’anse pour l’eau, il est réabsorbé
beaucoup plus d’électrolytes que d’eau. Ce phénomène élève le gradient osmotique de la région
médullaire. Ce mécanisme a deux conséquences :
= Il crée un gradient de concentration médullaire, responsable de la
réabsorption passive d’eau dans la branche descendante.
= Il diminue la concentration en sodium dans la partie terminale de l’anse de
Henlé (environ 65 mEq/l).
La réabsorption active de sodium peut être régulée par une hormone, l’aldostérone et le
facteur natriurétique..
= L’aldostérone est une hormone corticosurrénalienne chargée de maintenir
l’équilibre sodé de l’organisme. Elle est sécrétée en cas d’hyperkalièmie ou
d’hyponatrémie. Elle agit au niveau du tube contourné distal en échangeant un
potassium (éliminé) contre un sodium (réabsorbé).
= Le facteur natriurétique, sécrété au niveau du septum interauriculaire, agit
à la fois sur les vaisseaux sanguins, le glomérule et l’anse de Henlé. Sa sécrétion
provoque une excrétion urinaire de sodium.
+ Le tube contourné distal est pratiquement imperméable à l’eau ; le liquide
hypotonique provenant de l’anse de Henlé est soumis à une réabsorption d’eau dépendant de
l’hormone antidiurétique.
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= L’hormone antidiurétique est sécrétée par la post hypophyse.
Cette glande est sensible aux variations de l’hydratation de l’organisme. En cas de déshydratation,
l’hormone antidiurétique est sécrétée en quantité suffisante pour diminuer, et même stopper, la
production d’urine.
Débit
ml/min
2
1
oligoanurie
Anurie
Effet de l’hormone diurétique sur la production d’urine
Cette hormone permet de concentrer ou de diluer les urines. Ses possibilités sont
importantes puisque l’osmolarité urinaire peut varier de 50 mEq/l (dilution) à 1200 mEq /l
(concentration.
2.2 Autres fonctions métaboliques du rein
2.2.1 Glucose
Le glucose est totalement filtré par le glomérule rénal, puis réabsorbé en totalité si sa
concentration plasmatique (ou glomérulaire) ne dépasse pas une certaine concentration. En effet le
tube rénal dispose d’un mécanisme actif de réabsorption saturable. Passé un certain seuil (taux
maximal de réabsorption), une partie du glucose passe dans les urines ;
Le caractère particulièrement osmotique de cette molécule entraîne une polyurie (c’est la manière la
plus habituelle de découvrir un diabète).
2.2.2 Protéines
Les plus petites protéines passent la barrière glomérulaire (essentiellement de l’albumine). Le
long du tube il existe des mécanismes actifs chargés de « repomper » ces molécules. Au final il reste
moins de à 0,10 g/l de protéines dans les urines.
2.2.3 Phosphates et calcium
Le rein joue un rôle clef dans le métabolisme du calcium et des phosphates par deux
processus :
= Le calcium et le phosphore filtrés au niveau du glomérule sont
réabsorbés en partie par les cellules tubulaires. La réabsorption tubulaire est contrôlée par de
multiples facteurs hormonaux et non hormonaux
Le calcium (ionisé et complexé) est filtré au niveau glomérulaire, puis réabsorbé à 99% dans
les tubules. La réabsorption du calcium est sous la dépendance de la parathormone ou PTH,
synthétisée par la parathyroïde (toute augmentation de cette hormone augmente la réabsorption du
calcium) et de la vitamine D3 (même effet).
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Les phosphates sont filtrés au niveau glomérulaire, puis réabsorbés au niveau du tube
proximal (85% du phosphore filtré est réabsorbé). La parathormone inhibe la réabsorption des
phosphates qui se trouve au contraire activée par l’hormone de croissance et la vitamine D3.
= Le rein participe avec le foie à la synthèse de la vitamine
(Hydroxylation en 1) pour donner après passage hépatique la 1, 25 di-OH vitamine D3, forme la plus
active des vitamines D.
La vitamine D joue un rôle essentiel dans le métabolisme phosphocalcique en favorisant l’absorption
intestinal du calcium et sa fixation sur les os.
2.2.4 Acide/base
L’équilibre acido-basique, fonction essentielle de l’épuration rénale, est associé à la
respiration En éliminant du gaz carbonique, les poumons assurent une régulation « rapide » de
l’acidose (du fait d’un état d’équilibre entre le gaz carbonique et l’acide carbonique). L’élimination
d’une molécule de CO2 est équivalente à l’excrétion de protons).
Pour maintenir l’équilibre acido-basique le rein dispose de plusieurs mécanismes :
+ La synthèse de bicarbonate
CO2 + H2O
H2CO3
H+ HCO3-
+ L’élimination d’acides libres (acide lactique, urique...)
+ L’acidification du phosphate disodique ou des ions ammonium couplés à l’échange
tubulaire H+/Na+ ou H+/K+.
Pendant la pratique de l’activité physique ces trois mécanismes sont utilisés, notamment en ce qui
concerne l’élimination d’acide lactique ce qui a pour effet d’acidifier les urines mais aussi de perdre
de l’énergie (une molécule de lactate = 17 ATP).
2.3 Production d’urine
Le débit urinaire est fonction de la pression de filtration glomérulaire (d’autant plus
importante que la pression artérielle est élevée), et des mécanismes de réabsorption du sodium et de
l’eau.
La sécrétion d’aldostérone induite par la rénine et
l’angiotensinogène, provoque une réabsorption de sodium et parallèlement d’eau (l’eau suit le
sodium). Pendant l’exercice physique l’hyperaldostéronisme est donc à l’origine d’une diminution
du débit urinaire.
La sécrétion par la post hypophyse d’hormone antidiurétique
provoque une réabsorption massive d’eau (et donc une concentration des urines) au niveau du tube
distal. Cette sécrétion est directement dépendante de l’osmolarité plasmatique.
Le facteur natriurétique, d’origine cardiaque, qui en provoquant une
fuite de sodium dans les urines, active également la diurèse.
Le débit urinaire au repos est compris entre 1 et 2 ml/min. Ce débit peut varier de façon très
significative en fonction :
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De la position, debout ou déclive du sujet
Du repos ou de l’exercice
De son alimentation et de son hydratation
De sa fréquence cardiaque et de sa pression artérielle.
La composition de l’urine dépend donc essentiellement des apports nutritionnels et des
possibilités de pouvoir s’abreuver. Le métabolisme et l’alimentation sont producteurs de métabolites
en excès qui doivent nécessairement faire l’objet d’une excrétion pour éviter l’accumulation
plasmatique très rapidement toxique. L’exercice physique accélère la production de déchets et
nécessite donc pour sa bonne réalisation un rein parfaitement fonctionnel. Dans les différentes parties
du tube ces substances font l’objet d’une concentration rénale obtenue par réabsorption d’eau et
excrétion active. Les trois principales substances présentant une élimination journalière obligatoire
sont : le potassium apporté par l’alimentation, les protons issus du métabolisme et les substances
azotées (urée, ammoniaque) provenant du catabolisme des protéines alimentaires. L’insuffisance
rénale conduit immanquablement à une augmentation de la concentration sanguine de ces métabolites.
Les phénomènes de concentration et d’excrétion des ions amènent généralement les urines à être
hyperosmolaires par rapport au plasma (> 310 mOsm/l).
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