Physiologie des compartiments

I. Généralités sur la physiologie

A. La Physiologie

La physiologie est l'étude du rôle, du fonctionnement et des interactions des organismes vivants, de leurs organes, tissus, cellules et organites cellulaires entre eux et avec leur environnement. Elle explique comment un individu se maintient en vie. L'être humain est organisé selon différents niveaux : chimique, cellulaire, tissulaire, organique, systémique et organisme entier. Chaque niveau est constitué de l'association d'unités des niveaux inférieurs.

Rappels définitions :

• Un tissu : Groupe de cellules semblables assurant la même fonction spécialisée (épithélial, conjonctif, musculaire et nerveux).

• Un organe : Groupe de tissus assurant, de façon coordonnée, une fonction déterminée (cœur, poumons).

• Un système : Groupe d'organes ou de tissus constituant une unité assurant la même fonction, ou un ensemble de fonctions (système nerveux, digestif, circulatoire).

B. Constantes et Variables

En physiologie, les variables désignent des mesures biologiques qui évoluent avec le temps. On distingue :

• Constantes absolues : Ne varient pas (ex: longueur des os à l'âge adulte).

• Variables fonctionnelles contrôlées (d'un organe) : Varient entre deux limites (basale et maximale), sans symptôme, dépendent d'une seule fonction (ex: fréquence cardiaque, débit cardiaque, résistances vasculaires).

• Variables régulées ou asservies : Varient autour d'une consigne, associées à l'homéostasie, varient avec des symptômes, dépendent de plusieurs fonctions et peuvent être modifiées par les activités de l'organisme (ex: température centrale, poids corporel, glycémie, pression artérielle).

II. Les compartiments liquidiens de l'organisme

A. L'eau et le corps

L'eau est un besoin physique fondamental, assurant les processus métaboliques. Le corps humain adulte est composé d'environ 50 à 70% de liquides, principalement une solution hydrique d'ions et de solutés. Une valeur de 60% est souvent assumée.

Composition des liquides corporels et leurs compartiments : Total : 60% du poids corporel (soit 42 litres pour un adulte moyen)

• Liquide Extracellulaire (LEC) : 15% (14 litres)

  • Plasma : 5% (1/4 du LEC)

  • Liquide interstitiel : 15% (3/4 du LEC)

• Liquide Intracellulaire (LIC) : 40% (28 litres)

B. L'Homéostasie

L'homéostasie, concept introduit par Claude Bernard, est la capacité d'un système à maintenir son équilibre de fonctionnement malgré les contraintes internes ou externes. C'est un état d'équilibre dynamique vers lequel l'organisme revient après une perturbation.

Exemples de perturbations (à retenir) :

• Hyponatrémie (< 120 mmol/L) : Le plasma devient hypotonique, et il y a un risque de gonflement cellulaire cérébral.

• Hyperkaliémie (> 5 mmol/L) : Provoque une dépolarisation cellulaire, avec des risques mortels d'arythmie.

C. Évolution et différences du contenu corporel en eau

• Le pourcentage d'eau dans le corps diminue avec l'âge.

• Le pourcentage d'eau est plus faible chez la femme que chez l'homme, en raison d'une masse musculaire plus faible chez la femme.

D. Mesure des volumes corporels

Les volumes corporels sont mesurés indirectement à l'aide de marqueurs, qui se diluent dans le volume recherché.

Caractéristiques du Marqueur :

• Distribution homogène dans le compartiment étudié.

• Pas de diffusion dans les autres compartiments.

• Pas de métabolisme ou de synthèse.

• Pas de toxicité.

• Dosage rapide, simple et reproductible.

On utilise la formule : Volume du compartiment = Quantité du marqueur / Concentration du marqueur

E. Mesure du Volume sanguin

Le volume sanguin est la somme du volume plasmatique et du volume des cellules sanguines. L'hématocrite (Ht) est le pourcentage du volume sanguin occupé par les globules rouges.

Formules :

• Ht = (Volume Globules Rouges / Volume sang Complet) × 100

• Volume sanguin total = Volume plasmatique / (1 - Ht)

Valeurs moyennes :

• Volume plasmatique = 3L

• Hématocrite = 40-45%

• Volume sanguin total = 5L

III. Composition chimique des liquides

A. Composition en ions et solutés

La majorité des solutés des liquides corporels sont des électrolytes (composés électriquement chargés), tels que les cations (Na+, K+, Mg2+, H+) et les anions (Cl-, HCO3-, protéines).

B. Rappels unités de mesure

• Concentration pondérale (massique) : masse par unité de volume (g/L).

• Concentration molaire : quantité de matière (nombre de moles) par unité de volume (mmol/L ou mol/L).

• Concentration molale : quantité de matière par unité de masse de solvant (mol/kg).

• Concentration équivalente : nombre de charges électriques (Eq/L), avec e = nombre de charges électriques.

• Concentration osmolaire : nombre de particules par unité de volume (osm/L).

• Concentration osmolale : nombre de particules par unité de masse de solvant (osm/Kg).

C. Différence entre liquide interstitiel et plasma

La composition et l'osmolarité du liquide interstitiel et du plasma sont très similaires. Cependant, une différence cruciale réside dans la pression oncotique, car les concentrations en protéines sont très différentes. Le liquide interstitiel est un « ultrafiltrat plasmatique » quasi dénué de protéines.

• Pression oncotique des protéines plasmatiques (72 g/L) : 1,5 mOsm/Kg.

• Pression oncotique des protéines interstitielles (2 g/L) : 0,041 mOsm/Kg.

L'osmolarité du LIC est légèrement supérieure à celle du LEC, en raison de la concentration élevée des protéines intracellulaires.

IV. Les échanges des liquides corporels entre compartiments et l'extérieur

A. Introduction

L'eau dans les compartiments internes n'est pas statique ; elle se meut fréquemment entre les compartiments, en respectant certaines règles fondamentales. L'eau interagit également avec l'extérieur via des organes comme :

• La peau : par la sueur (perte d'un liquide hypotonique, plus riche en eau qu'en sel).

• Les reins : par la création d'urine (perte d'un liquide hypertonique, plus riche en sel qu'en eau).

B. Les échanges d'eau

Les échanges d'eau sont régis par les règles suivantes :

• Les membranes séparant les compartiments sont semi-perméables à l'eau, mais pas aux solutés.

• L'eau se déplace du milieu le moins concentré en osmoles vers le milieu le plus concentré (mécanisme passif) afin d'équilibrer les concentrations des deux côtés de la membrane. Ce phénomène est appelé osmose.

La force avec laquelle l'eau bouge est appelée pression osmolaire/osmotique, calculable par la formule de Van 't Hoff : π = RTC.

C. Par où est-ce que l'eau sort ?

L'eau traverse les membranes cellulaires et les parois capillaires directement via la bicouche lipidique ou, plus souvent, par des canaux membranaires spécifiques : les Aquaporines (protéines tétramériques). L'eau ne passe pas par les canaux ioniques.

D. Petite note sur l'osmolarité

En médecine, l'osmolarité plasmatique est la référence, estimée à ~290 mOsm/L.

• L'électroneutralité des liquides implique que la quantité d'anions est égale à la quantité de cations.

• La natrémie (taux de Na+ plasmatique, 140 mmol/L) est le principal déterminant de l'osmolarité du LEC.

• Calcul rapide de l'osmolarité plasmatique : 2 x natrémie = 280 mOsm/L.

• En tenant compte des non-électrolytes (glucose, urée, 5 mOsm/L chacun) : 2 [Na+] + [glucose] + [urée] = 290 mOsm/L.

Exemple des globules rouges (GR) selon le milieu :

• Cas 1 : Milieu hypotonique : Le GR a une osmolarité plus élevée que le milieu externe. L'eau entre dans le GR, qui gonfle et risque d'exploser.

• Cas 2 : Milieu isotonique : Les mouvements d'eau s'équilibrent, le GR reste normal.

• Cas 3 : Milieu hypertonique : Le milieu externe est plus concentré. L'eau sort du GR pour diluer le milieu externe, le GR se dégonfle et se fane.

V. Les échanges d'eau entre les compartiments extra et intracellulaire

A. Mouvement

Le gain ou la perte d'eau ou d'osmoles modifie les volumes et l'osmolarité plasmatique, entraînant une redistribution de l'eau entre les compartiments extra et intracellulaire, toujours selon la règle des mouvements d'eau.

Situations fondamentales :

1. Prise d'eau pure (= gain d'un liquide hypotonique):

   • Perturbations initiales :

     • Volumes : Augmentation du volume du plasma et du liquide interstitiel = augmentation du volume EC.

     • Osmolarités : Diminution de l'osmolarité plasmatique et interstitielle (liquide hypotonique).

     • Eau totale et poids : Augmentation.

   • Mouvement d'eau :

     1. Du plasma vers le compartiment EC.

     2. Du compartiment EC vers le LIC.

   • État final :

     • Hydratation : Hyperhydratation globale (EC et IC).

     • Eau totale et poids : augmentés.

     • Osmolarité : hypo osmolarité.

   • Symptômes : Dégoût de l'eau, nausée, HTA, augmentation de la diurèse pour rétablir volume et osmolarité.

2. Perte d'un liquide hypertonique (ex: problème urinaire):

   • Perturbations initiales :

     • Volumes : Diminution du volume plasmatique => diminution du volume EC.

     • Osmolarités : Hypo osmolarité EC (perte d'un liquide hyperosmolaire).

     • Eau totale et poids : Diminution.

     • Quantité d'osmoles : Diminution.

   • Mouvement d'eau :

     1. L'eau passe du plasma vers le compartiment EC.

     2. L'eau passe du compartiment EC vers le LIC pour rétablir l'osmolarité.

   • État final :

     • Hydratation : Déshydratation EC et hyperhydratation IC.

     • Eau totale et poids : diminués.

     • Osmolarité : hypo osmolarité.

   • Symptômes : Chute de la pression sanguine.

3. Gain de liquide isotonique:

   • Perturbations initiales :

     • Volumes : Augmentation du volume plasmatique => augmentation du volume EC.

     • Osmolarités : Pas de changement.

     • Eau totale et poids : Augmentation.

     • Quantité d'osmoles : Pas de changement.

   • Mouvement d'eau :

     1. L'eau reste dans le plasma.

   • État final :

     • Hydratation : Hyperhydratation EC.

     • Eau totale et poids : augmentés.

     • Osmolarité : inchangée.

   • Symptômes : Risque d'œdèmes si l'augmentation du volume du liquide interstitiel dépasse 30%.

B. Les échanges entre plasma et liquide interstitiel

• Les échanges ont lieu exclusivement au niveau des capillaires, qui représentent une vaste zone d'échange.

• Les parois capillaires sont perméables à la plupart des molécules du plasma, y compris les ions, mais pas aux protéines.

• Les forces en présence ne sont pas dues aux différences de pressions ioniques, mais plutôt :

  • La pression intravasculaire.

  • La pression extravasculaire.

  • La pression oncotique transmurale (due aux protéines).

• La résultante des forces varie entre l'entrée artérielle et la sortie veineuse du capillaire.