6 Effets Tampon : Tampons Ouverts et Fermés

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6 – Effets Tampon : Tampons Ouverts et Fermés

I. Introduction

A. Rappels

Les solutions tampon sont obtenues :

– Soit en mélangeant un acide faible avec un sel

Ex : acide acétique CH3COOH + CH3COONa acétate de sodium – Soit en mélangeant une base faible avec son sel

Ex : base NH2 (à l'extrémité des protéines) qui devient NH3 en captant un proton + NH2Cl

L'intérêt des solutions tampon est de maintenir la valeur d'un pH constante.

C'est d'une importance extrême car dans le corps humain, les réactions enzymatiques doivent avoir lieu à un pH constant. Le pH du sang humain est tamponné à un pH de 7,4 par des systèmes tampon (plus précisément entre 7,38 et 7,42. Au-delà de ces limites on est soit en acidose, soit en alcalose).

(Le prof précise qu’il faut connaitre les ordres de grandeurs, il a signalé que s’il mettait 7,3 ou 7,5 pour le pH sanguin c’est la même chose, en revanche s’il met 8 c’est faux).

• Un acide est capable de céder un proton H⁺

• Une base est capable de capter un proton H⁺.

La concentration en protons H⁺ varie d'un facteur 10 pour 1 unité de pH, d'où l'importance des chiffres après la virgule. Le pH est donc une valeur exponentielle et c’est une (fonction) courbe logarithmique.

La neutralité correspond à pH = 7, il y a alors une concentration de H⁺ de 10^-7mol/L.

Le pH sanguin est donc basique, essentiellement grâce aux bicarbonates HCO3-.

Le pH sanguin = 7,4 si les 2 conditions physiologiques suivantes sont réunies : - [HCO3-] variant en physiologie de 24 à 30 mmol/L au niveau artériel, - La pression partielle de CO2 au niveau des artères PaCO2 = 40 mmHg, - [H⁺] = 40 nanommol/L.

La mesure du pH se fait en artériel par la gazométrie.

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Dans les cellules, le pH est plus acide : le pH intracellulaire est de 7,25.

Le pH du LCR (liquide céphalo-rachidien) a un pH de 7,33. On peut mesurer ce pH en faisant une ponction lombaire. Il rappelle que ce qui est derrière la virgule là est vraiment très important.

Celui de la peau est acide, il est compris entre 4,5 et 5,5.

En fait, le pH sanguin doit être compris entre 7,38 et 7,42, car au-delà, le pH serait incompatible avec la vie, et notamment pour les réactions enzymatiques, d'où l'importance du pouvoir tampon. Si on dépasse ces limites, il y a beaucoup moins de réactions enzymatiques.

→ L’homéostasie dépend du pH au niveau du sang.

Notre organisme est soumis en permanence à des agressions acides (avec production des ions H⁺ par

l'organisme), notamment la production dans le muscle d'acide lactique lors d'efforts musculaires physiques, en conditions anaérobies (en absence d'oxygène) ex : c'est ce qu'il se passe si vous faites du jogging ou si vous allez à la salle de muscu... ; et de façon mineure par l'alimentation. Il existe des médicaments conçus pour le

phénomène acide de l’alimentation. Les naturopathes se servent de ceux-ci pour lutter contre les agressions acides qui proviennent de l’alimentation.

Aliments acides/acidifiants : - Viande

- Dérivés du lait

Aliments alcalins/basiques : - Fruits

- Légumes

On dit qu'un milieu est tamponné si malgré l'ajout de soude (base) ou d'acide, le pH reste pratiquement constant. L'Homme est lui-même un milieu tampon.

Ex : un verre de vin a un pH entre 3,5 et 4 donc très acide mais il ne modifie pas le pH de l'organisme car il est tamponné.

Si on met une pièce dans le coca qui est acide, cela la nettoie.

Le coca, le Pepsi (pH entre 2 et 3), le jus de citron à un pH à 2 et la bière (pH = 4,8) sont acides. D’où l’importance d’avoir un système tampon.

Il y a 3 lignes de défense devant les agressions essentiellement acides :

- Les tampons plasmatiques (et intracellulaires en faible partie) : la réponse est brève et quasiment instantanée. [Sang = plasma + éléments figurés]

- L'élimination pulmonaire du gaz carbonique (CO2 volatile) par la respiration/ventilation, ce qui prend quelques minutes : c'est un mode d'action intermédiaire, en effet lors d’un effort physique, on respire plus afin d’éliminer le gaz carbonique

- Les reins qui permettent l'élimination des ions H⁺ dans les urines, d'où l'importance du volume des urines par 24h : cette réponse est lente (quelques heures) mais durable.

On parle de diurèse (production d'urines).

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Une solution tampon est composée :

- Soit d'un acide faible HA et de son anion A-

- Soit d'une base faible HB et de son cation B+ (ex : les ions H+)

B. Répartition du Pouvoir Tampon de l'Organisme

1) Milieu Intracellulaire

Il est peu connu car difficile à utiliser.

À ce niveau, malgré l'intervention de tous les tissus, 2 organes sont très importants dans le maintien du pH : - Les hématies (globules rouges) qui transportent l'hémoglobine, ils font partie du pouvoir tampon du sang

- Et le tissu osseux, notamment avec l’acide phosphorique

2) Milieu Extracellulaire

On distingue le milieu interstitiel (espace entre les cellules) et le sang, qui représente 20% du pouvoir tampon de l'organisme, et c'est de loin le plus important, car c’est la 1^ère ligne de défense, le 1^er mis en route.

Le pouvoir tampon du sang est formé essentiellement par le couple H2CO3/ HCO3- : - L'acide carbonique (H2CO3) est un acide faible.

- Les bicarbonates (HCO3-) se comportent comme des anions.

Les bicarbonates constituent la majeure partie de la réserve alcaline, ils sont sous forme de bicarbonate de sodium HCO3- car ils en forment la majeure partie.

En conditions physiologiques, [HCO3-] est comprise : – Au niveau veineux : entre 22 et 30 mmol/L

– Au niveau artériel c'est un peu plus élevé : entre 24 et 30 mmol/L

Ce sont essentiellement les bicarbonates qui maintiennent essentiellement le pH du sang entre 7,38 et 7,42.

• Définition du pouvoir tampon

→ C'est la capacité d'une solution tampon à lutter contre les changements de pH.

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On définit le pKa (= pH isolélectrique) comme le pH de demi-dissociation, qui est caractéristique de la solution tampon. Cela correspond au pH où 50% de la solution est sous forme acide, 50% de la solution est sous forme basique.

Le maximum d'efficacité du pouvoir tampon pour un mélange équimolaire (= en quantités égales) entre l'acide faible HA et son anion A^- correspondant est obtenu en général lorsque le pH = pKa du couple en solution.

Pour avoir un maximum d'efficacité, en général le pH doit être égal au pKa = pouvoir tampon maximal.

SAUF pour les bicarbonates ! pKa bicarbonates = 6,1, c'est très loin du pH du sang à 7,4

Une solution tampon est saturable, elle doit donc être en quantité suffisante.

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Cette réaction est réversible, lente mais peut être accélérée jusqu'à 2000 fois par une enzyme, l'anhydrase carbonique (AC). Celle-ci se trouve principalement dans les hématies et dans le rein.

→ Elle permet donc la formation de CO2.

III. Pouvoir Tampon du Sang

Il faut distinguer 3 systèmes tampon dans le sang, chez les êtres humains.

A. Système Bicarbonates – Ouvert

Le couple HCO3 -/H2CO3 représente 55% du pouvoir tampon du sang, et ce malgré un pKa = 6,1, qui est donc différent du pH.

Cet inconvénient est compensé par un avantage considérable qui est celui d'être un système tampon ouvert, à

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l’inverse des autres systèmes tampon. La masse de la solution tampon peut varier. En effet : - Le CO2 est éliminé au niveau des poumons,

- Et les protons ions H⁺ dans le rein.

En effet, dans les alvéoles de nos poumons, se fait l'échange gazeux et la conversion du bicarbonate en CO2 qui peut être éliminé par la respiration :

H

2

CO

3

→ H

2

O + CO

2

Cette réaction se fait sous l'action de l'anhydrase carbonique contenue dans les hématies.

• Le CO2 est donc éliminé par les poumons.

• Les ions protons H⁺ sont quant à eux éliminés dans le rein, dont 75% sous forme d'anions ammonium NH4+.

• Les bicarbonates sont réabsorbés par le rein, car ils constituent la réserve alcaline que les reins doivent reconstituer en permanence.

En fait, la filtration des bicarbonates au niveau du rein est libre quand ils ont une concentration de 27 mmol/L.

Au-delà, si la concentration de bicarbonates diminue (< ou = à 27 mmol/L), le rein absorbe la quasi-totalité des bicarbonates.

En effet, dans le rein, il y a 3 2 points fondamentaux :

- L’importance de l'anhydrase carbonique (pour les globules rouges et reins) permet d’accélérer les réactions pour tendre à l’équilibre entre l’acide carbonique et bicarbonate,

- L’importance du sodium, qui passe dans le sang en échange d'un proton ion H⁺, et sera transformé en bicarbonate de sodium par l’anhydrase carbonique

- Il va y avoir également une transformation de l’acide carbonique en eau et en CO2, lequel sera transporté dans le sang sous forme dissoute.

B. Système Hémoglobine – Fermé

Un tampon fermé a une masse totale constante, alors que les tampons ouverts ont une masse totale variable.

Dans le sang, seuls les bicarbonates ont un tampon fermé.

Le pouvoir tampon du sang total, avec les éléments figurés (globules blancs et rouges), est supérieur au pouvoir tampon du plasma (essentiellement avec les bicarbonates). Rappel : le plasma = sang moins les cellules.

Cette différence s'explique par la présence d'hémoglobine (Hb) dans les globules rouges, qui constitue un système tampon assurant 40% du pouvoir tampon sanguin total.

Dans le sang, 80% du CO2 est sous forme de bicarbonate.

Le pouvoir tampon de l’hémoglobine sans oxygène est supérieur au pouvoir tampon de l’hémoglobine avec oxygène.

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La forme oxygénée de l'hémoglobine (appelée HbO2) fixe davantage de protons par une réaction allostérique.

En effet, la fixation de l'oxygène va modifier la conformation des 4 sous-unités de l'hémoglobine (qui est un tétramère), augmentant l'affinité pour l'oxygène : c'est ce qu'on appelle un phénomène allostérique.

H + Hb ↔ H⁺ + Hb H + HbO2 ↔ H⁺ + HbO2

Hb > HbO2

Ceci est influencé par le DPG ou diphosphoglycérate, qui vient se fixer sur l'hémoglobine désoxygénée (en absence d'oxygène).

Si on a une augmentation de pH, la courbe de dissociation monte, il y a augmentation de la dissociation de Hb et donc de la libération d’oxygène ; on a une diminution de la température et de DPG.

Inverse si on a une diminution du pH.

Ceci souligne l'importance de l'effet Bohr, réservé à l'influence du pH sur la fixation d'oxygène par l'hémoglobine.

- D'une part, l'hémoglobine influence le pH car elle a un pouvoir tampon

- D'autre part, le pH influence la capacité de fixation de l'oxygène sur l'hémoglobine :

→ C'est ce qu'on appelle l'effet Bohr.

L’hémoglobine oxygénée ou non peut donner un proton.

Effet Bohr : effet du pH essentiellement sur la courbe de dissociation de l’Hb.

L'essentiel du pouvoir tampon de l'hémoglobine au pH physiologique, compatible avec la vie, provient de la dissociation des groupements imidazoles de l'histidine.

En effet, dans 1 molécule d'hémoglobine (pour le tétramère d’hémoglobine), on trouve 33 résidus molécules d'histidine, qui sont principalement responsables du pouvoir tampon de l'hémoglobine.

Rappel : l'hémoglobine est un tétramère (formé de 4 sous-unités de globine) → 4 globines (2𝛼 et 2𝛽) + 4 hèmes qui permettent de transporter le fer).

C. Système Protéinates – Fermé

Ce troisième tampon est représenté essentiellement par les protéines plasmatiques (protéinates) et les phosphates inorganiques qui interviennent pour assurer les 5% restants du pouvoir tampon total du sang.

1) Les Protéines Plasmatiques

Les protéines du sang dans le plasma sont de l'ordre de 70 g/L de sang.

Elles peuvent transporter un proton ions H⁺et le libérer.

C'est la réaction :

HPr → H

⁺

+ Pr -

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Les 2/3 du pouvoir tampon de ces protéines est dû à l'albumine, que l'on peut visualiser par électrophorèse des protéines.

→ En effet, si l'on fait une électrophorèse des protéines (migration en fonction de la charge), on obtient un pic : C'est l'albumine, qui représente la protéine majoritaire du sang.

Ces protéines sont des molécules amphotères (comme l'eau), c'est-à-dire des substances qui réagissent, selon les circonstances, soit comme un acide, soit comme une base :

- En tant qu'acide, c'est le côté carboxyle de la protéine avec le couple COOH/COO^-qui est mis en jeu pour donner un proton.

- En tant que base, c'est l'extrémité aminée de la protéine qui interagit via le couple NH2/NH3+ capable de capter un proton.

De plus, les chaînes latérales des acides aminés sont de charges et de pH variables.

A pH = 7,4 (sang), les AA et donc les protéines se comportent comme des bases :

→ Ils vont donc capter les ions H⁺ donc faire agir leur extrémité NH2.

Au niveau des poumons, on trouve 2 fonctions essentielles du pouvoir tampon : - L'élimination du CO2 produit par l'organisme transporté dans le sang, - La fixation de l'oxygène sur l'hémoglobine → pouvoir tampon.

La régulation respiratoire est complexe et fait intervenir l'ensemble poumons /diaphragme /cerveau.

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Remarque : diaphragme = muscle entre le thorax et l'abdomen

De plus, il existe les chémorécepteurs, qui sont des récepteurs mesurant en permanence le pH sanguin, et qui peuvent exister sous 2 types :

- Les chémorécepteurs situés au niveau des artères, appelés chémorécepteurs périphériques, principalement au niveau de l'aorte (le plus gros vaisseau sortant du cœur) et de la carotide (gros vaisseau du cou),

- Les chémorécepteurs situés au niveau de la base du cerveau, dans le bulbe rachidien, appelés chémorécepteurs centraux, sensibles aux variations du pH du sang mais aussi du liquide céphalo- rachidien (LCR).

Les poumons n'agissent donc pas de façon isolée.

B. Les reins

Les reins ont un rôle double, puisqu'ils permettent :

- La réabsorption totale des bicarbonates (réserve alcaline),

- L'élimination des protons dans les urines, dont 75% sous forme d'ions ammonium NH4+.

V. Déséquilibres – Diagramme de Davenport

On parle d'acidose si le pH chute en-dessous de 7,4 (7,38) et au contraire, l'alcalose correspond à un pH supérieur à 7,4 (7,42).

Les acidoses et les alcaloses peuvent être : - Respiratoires,

- Métaboliques, - Ou mixtes.

Elles peuvent aussi être :

- Compensées : le pH est tout de même maintenu dans ses limites, entre 7,38 et 7,42,

- Décompensées : le pH n'est plus compris entre ses valeurs physiologiques, les systèmes tampon sont dépassés et le pronostic vital est engagé.

Le diagramme de Davenport présente : - En abscisses : le pH,

- En ordonnées : la concentration en bicarbonate.

En reportant les valeurs pratiques sur le diagramme, on peut repérer les déséquilibres.

Les mesures sont effectuées avec une PaCO2 = 40 mmHg

En pratique, on obtient ces mesures par gazométrie artérielle, en prélevant du sang artériel (la plupart du temps au niveau de l'artère radiale, celle qui donne le pouls au niveau du poignet) et en mesurant les pressions

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partielles en oxygène et gaz carbonique, le pH, les concentrations en bicarbonates...

Ce qui est notamment très important en réanimation aux urgences.

VI.

Applications dans la nature : exemple des océans

Le réchauffement climatique a de nombreuses conséquences sur les océans et les coraux.

En fait, il est à l'origine d'une baisse du pH, car le CO2 produit par les industries peut alors se dissoudre dans les couches supérieures des océans.

Le système tampon des océans qui est saturable est dépassé, le pH baisse et devient incompatible avec la vie, notamment des coraux et des poissons.

Entre 1750 et 2004, le pH des océans est passé de 8,25 à 8,14 (pas à retenir).

Les prévisions sont d'arriver à un pH de 7,8 d'ici la fin du siècle.

Ceci sera dramatique pour les coraux et pour certains poissons, il faudra que la vie « s'adapte ».

Réponses aux questions du cours du 25/01/19 :

• Pas d’unité pour le produit ionique de l’eau Ke.

• Pas besoin de connaître : - Nom des espèces

- Conditions optimales de pH - pH alimentaires

- Démonstration du calcul du produit ionique de l’eau

• Il faut connaitre :

- Formules de calcul de pH

- Démonstration du calcul de pH sanguin