Physiologie Étude des: En physiopathologie :

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
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A. Généralités et définitions
1. Modélisation du milieu intérieur,
2. Compartiments virtuels,
3. Grandeurs de l’environnement physique,
4. Concept d’homéostasie.
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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.
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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
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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…
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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.
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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
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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.
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3. Grandeurs de l’environnement physique
3.2 Température :
T absolue et t ambiante :
T(°Kelvin) = 273°K(=0°Celsius) + t°(Celsius)
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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
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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
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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
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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
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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.
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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.
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Organisme = système ouvert; balances.
As : Afférences sensorielles
Em : Efférences motrices
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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.
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Variables
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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 !
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• 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.
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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.
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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.
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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
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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.
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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.
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Organisation d’un système régulateur
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exemples de bilans
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exemples de bilans
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B. L’eau de l’Organisme
1- Caractéristiques physiques:
2- Répartition et composition
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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
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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.
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Gradient de pression hydrostatique et
posture
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Schéma de la grande circulation
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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
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Pression osmotique
au travers d’une membrane semi perméable
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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.
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1. Caractéristiques physiques
(3)
1.3. Compliance des compartiments: (schémas)
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Volume vasculaire et pression transmurale.
Conséquences.
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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
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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
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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
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Viscosité dynamique
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Vitesse de sédimentation, hématocrite
VS
hématocrite
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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
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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
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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
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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
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Circulation du sang
Petite circulation
Grande circulation
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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.
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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)
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EC
Osmolarité
Modèle d’échanges entre EC et IC
IC
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Modèle d’échanges entre EC et IC
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Échanges transmembranaires passifs
1 - Eau circulante et eau statique
2 - Eau et membrane ½ perméable
3 - Substances et membrane perméable
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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
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Pression transmurale le long d’un capillaire
(Équilibre de Starling)
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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.
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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.
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Modèle compartimental à l’état normal
[osm]
+
EC
Volume
+
IC
0
Volume
+
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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Perdre de la sueur
2 de 4
2 : mouvements
[osm]
2
EC
VEC
+
IC
0
VIC
+
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Perdre de la sueur
3 de 4
3 : mouvements
[osm]
3
EC
VEC
+
IC
0
VIC
+
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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
+
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2. Eau et membrane ½ perméable
6 de 10
Problème :
Boire de l’eau pure après sudation
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Boire de l’eau pure après sudation
état final stable
EC
VEC
+
IC
0
VIC
+
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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.
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7 de 10
Pertes de sels > pertes d’eau;
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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
+
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2. Eau et membrane ½ perméable
8 de 10
Apports de sels > apports d’eau
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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
+
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Apports de sels > apports d’eau
Par voie parentérale :
[osm]
+
IC
EC
Volume
+
0
Volume
+
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Apports de sels > apports d’eau
[osm]
+
IC
EC
Volume
+
0
Volume
+
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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).
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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.
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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.
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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
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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.
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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
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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
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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
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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
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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
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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 .
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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.
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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
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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.