Physiologie rénale IX

courbe

Le pH du sang artériel est étroitement contrôlé à env. 7.4 = [H+] ~ 40 nmol/L, alors que pH intracellulaire varie de cellule en cellule (en général ~ 7.0 - 7.2).

Le contrôle du pH est critique à la fonction cellulaire, car de faibles variations de pH altèrent la forme moléculaire de certaines protéines structurelles et peuvent modifier la vitesse de réactions biochimiques et l’activité de nombreuses enzymes.

Production de CO2. Env. 15’000 à 20’000 mmoles produites chaque jour par le métabolisme. A première vue, il est étrange de considérer CO2 comme un acide. Toutefois, CO2 réagit avec H2O et produit un peu de H2CO3, un acide faible qui se dissocie en H+ et HCO3-. Ceci ↑ [H+] et donc ↓ pH. Heureusement, les poumons peuvent éliminer le CO2 et il n’y a pas de production nette de H+.

Production d’acides et de bases fixes. Catabolisme du glucose et des acides gras produit seulement CO2 et H2O; mais catabolisme de certains composés organiques peut → production nette de H+ et OH-.

Ex: 

• phospholipides → acide phosphorique (H3PO4) ;
• acides aminés contenant du soufre (méthionine, cystéine, cystine) → acide sulfurique (H2SO4) ;
• acides aminés cationiques (arginine+, lysine+, histidine+) → acide chlorhydrique (HCl) ; purines→ acide urique.

Le métabolisme de ces substances produit env. 220 mmoles de H+ par jour.

D’un autre côté, catabolisme de

• sels basiques d’acides faibles (ex: lactate, acétate, malate ou citrate),
• d’acides aminés anioniques (glutamate-, aspartate-)

consomme env. 160 mmoles de H+ par jour.

Résultat = formation nette d’env. 60 mmoles de H+ par jour, qui doivent être éliminées par les reins (sinon utilisation rapide du pool extracellulaire de HCO3- = ~340 mmoles).

Le régime alimentaire affecte largement la production métabolique d’acides : régime riche en viandes (= riche en acides aminés contenant du soufre et en phosphates organiques) ⇒ ↑ production de H+ alors que régime végétarien (riche en lactate et acétate) ⇒ production nette d’ions HCO3-.

• Tamponnage par les tampons corporels
• Elimination de CO2 par les poumons
• Elimination d’un excès d’acides ou de bases par les reins.

Correction rapide du pH (souvent en quelques secondes), mais la correction consomme des tampons et ne résout donc pas le problème.

Deux fonctions importantes des poumons :

(a) Assurent l’équilibre entre production et élimination de CO2, pour éviter que des changements primaires de [CO2] n’altèrent l’équilibre pH. Réponse rapide (minutes), corrige déséquilibre de CO2.

(b) Agissent comme “tampon” physiologique en minimisant changement de [H+] résultant d’acides ou de bases fixes.

Par ex, charge acide ⇒ ↑ [H+], ce qui stimule la ventilation et donc ↑ élimination de CO2, ↓ [CO2] et donc tend à ↓ [H+] vers normale.

Réponse plus lente (minutes à heures). Toutefois, altération durable de [HCO3-] puisque des bicarbonates sont consommés par l’addition d’acides fixes ou créés par l’addition de bases.

Finalement, les reins en collaboration avec le foie entrent en jeu en réglant [HCO3-] du ECF, à la fois en contrôlant la quantité de HCO3- perdus dans l’urine et en générant de nouveaux ions HCO3-. Réponse rénale plutôt lente (jours), mais très efficace à corriger le trouble initial.

• 1. Tampons intracellulaires. Nombreux tampons disponibles ; ils ne corrigent pas le trouble initial, mais simplement minimisent les changements de pH.

• 2. Transport de H+ et HCO3- à travers la membrane cellulaire. Les cellules peuvent régler individuellement le pH interne par des protéines membranaires de transport.

1. Un échangeur Na+-H+, stimulé par ↓ pH intracellulaire, couple influx passif de Na+ à efflux de H+ contre un gradient. Une autre protéine,
2. l’échangeur Cl--HCO3-, est stimulée par un cytosol alcalin, expulsant du HCO3- en échange du Cl-.

En fait, il y a encore de nombreuses autres protéines, illustrées dans la figure

1. Le système tampon bicarbonate
2. Les systèmes tampons non-bicarbonates (TNB)

(traité à part car le tampon acide est volatile

Tampon acide (H2CO3, neutralise OH- en donnant H+) + tampon base (HCO3-, neutralise H+ ajouté à la solution).

Puisque H2CO3 est formé de l’hydratation de CO2, la réaction générale s’écrit:

CO2 + H2O ↔ H2CO3 ↔ H+ + HCO3-.

Mais [H2CO3] est très difficile à mesurer. Puisque [H2CO3] est proportionnel à [CO2], on récrit Henderson-Hasselbalch comme suit :

pH = pK + log ([HCO3-]/[CO2]) (avec pK = 6.1).

concentration d’un gaz dans un liquide = pression partielle x coefficient de solubilité α (= 0.03 mmol/L/mmHg pour CO2 dissous dans H2O; loi de Henry

donc [CO2] plasmatique = α x PCO2 , normalement 1.2 mmol/L (= 0.03 x 40) ; de ces données, on calcule : au pH de 7.4, log [HCO3-]/[CO2] = 1.3 (7.4 moins 6.1), donc [HCO3-]/[CO2] = 20, donc [HCO3-]plasma normale de 24 mmol/L.

Note : Si [HCO3-] = 24 mmol/L dans plasma, [HCO3-] = 14 dans érythrocytes ⇒ (24 • 0.55) + (14 • 0.45) = 19 mmol/L dans sang complet

Le tampon opère dans un système ouvert, c.a.d tampon acide (H2CO3) formé par l’addition de H+ ne reste pas dans le système, mais peut être rapidement éliminé par les poumons en tant que CO2.

Illustration de l’importance du concept: Adjonction de 4 mmol de H+ par L de ECF ⇒ ↓ [HCO3-] de 4 mmol/L, de 24 à 20 mmol/L, et ↑ [CO2] de 4 mmol/L, de 1.2 à 5.2 mmol/L.

Dans un système fermé (pas de poumons pour éliminer le CO2), pH = 6.1 + log (20/5.2) = 6.69. Dans un système ouvert (si contrôle parfait de [CO2] avec retour à valeur normale par les poumons), pH = 6.1 + log (20/1.2) = 7.32, donc une ↓ de pH plus petite.

Toutefois, l’adjonction de H+ consomme réserves de HCO3- qui doivent donc être restaurées par les reins.

Le corps peut régler à la fois les concentrations du tampon basique (HCO3-) et du tampon acide (H2CO3).

Les poumons contrôlent [CO2] alors que les reins (en collaboration avec le foie) contrôlent [HCO3-]. Ainsi, le pH du ECF peut être réglé en fixant le ratio [base] / [acide] du système bicarbonate. A son tour, ce pH déterminera le ratio [base] / [acide] pour tous les autres systèmes tampons.

Les protéines.

Présentes en grandes concentrations (160 g/L dans ICF; 70 g/L dans plasma). En général, ce sont des tampons efficaces (H-protéines ↔ H+ + protéines-) parce que certains groupes d’acides aminés (anneau imidazole de l’histidine, groupe sulfhydryl de la cystéine et groupe amino terminal) peuvent lier H+ de manière réversible et très efficacement (pK proche du pH corporel).

L’hémoglobine.

En tant que protéine, l’Hb offre une grande capacité tampon (concentration 340 g/L érythrocytes), permet de tamponner le H+ généré par CO2 et le transporter aux poumons comme HCO3-. Aussi bien Hb déoxygénée (HHb ↔ Hb- + H+) que Hb oxygénée (HHbO2 ↔ HbO2- + H+) agissent comme tampon.

Toutefois, l’affinité de Hb- pour lier H+ est plus grande que celle de HbO2- (quand Hb libère O2, il y a changement de conformation qui expose un groupe histidine de la globine qui peut lier H+). Ceci permet aux érythrocytes d’absorber plus de CO2 au niveau tissulaire (effet Haldane)

Le système tampon phosphate.

Le phosphate inorganique existe dans ECF sous 2 formes, phosphate acide (H2PO4-) et phosphate alcalin (HPO4^2-). Une 3e forme, PO43-, n’existe pas au pH physiologique.

Les 2 formes sont en équilibre:

H2PO4- ↔ H+ + HPO4^2- et donc : pH = pK + log ([HPO42-] / [H2PO4-]) (avec pK = 6.8).

N’est pas un tampon important du ECF, car faibles concentrations (env. 1 mmol/L) et pK de 6.8, donnant à pH de 7.4: [HPO42-] 4x > [H2PO4-]; car 7.4 = 6.8 + log ([HPO42-] / [H2PO4-]) → log ([HPO42-] / [H2PO4-]) = 0.6 → ([HPO42-] / [H2PO4-]) = 4.

Toutefois, plus important pour ICF et dans tubules rénaux, où concentration des réactifs est plus grande et pH plus acide (plus proche de pK).

En effet, si CO2 ↑, réaction CO2 + H2O ↔ H+ + HCO3- déplacée vers la D, donc HCO3- ↑ et bases TNB- ↓ pour tamponner H+ formé).

Le tamponnage est très bon (petite différence en nanomoles de H+, ce qui n’affecte pas la mesure de HCO3- et de TNB- qui sont en millimoles)

Dans le sang, la somme des bases tampons bicarbonates et nonbicarbonates (= BB = buffer base) = 48 mmol/L (pour sang oxygéné), 50 mmol/L (pour sang désoxygéné), change avec [Hb], mais ne change pas avec PCO2.

• Si BB > 48, il y a excès de bases tampons (BE positif), on a ajouté du bicarbonate dans le système.
• Si BB < 48, BE négatif (on a consommé des bases sur agression d’ H+).

L’équation d’Henderson-Hasselbalch du système tampon bicarbonate comporte 3 paramètres (pH, PCO2, [HCO3-]).

On peut reporter les deux paramètres PCO2 et [HCO3-] et exprimer le 3ème paramètre sous forme d’isopleth = ligne iso-pH qui est une droite.

La ligne pleine montre les changements de [HCO3-] plasmatique quand du sang complet est soumis à des changements primaires de PCO2 (ligne iso-BB, par exemple BB = 48 mmol/L).

Les lignes traitillées représentent les lignes iso-pH

flèche noire - problème primaire

flèche grise/blanche - rectification

Le système respiratoire ajuste l’élimination pulmonaire de CO2 pour équilibrer la production métabolique de CO2.

Le système respiratoire agit comme un “feedback controller” de [H+] extracellulaire.

Si ↑ production de CO2

• ⇒ ↑ PCO2
• ⇒ stimule un peu chémorécepteurs périphériques (glomera carotidiens + aortiques) et surtout chémorécepteurs centraux (surface ventrale de la medulla oblongata)
• ⇒ ↑ ventilation alvéolaire
• ⇒ élimine l’excès de CO2 et retourne PCO2 vers normale.

CO2 diffuse très bien et agit sur chémorécepteurs centraux en ↑ [H+] dans liquide céphalo-rachidien, réaction favorisée par la relative absence de protéines dans CSF.

Réponse rapide (minutes) qui corrige complètement le bilan de CO2.

Une ↑ primaire de [H+] dans ECF (par surcharge d’acides fixes)

• stimule chémorécepteurs périphériques et centraux
• ⇒ ↑ ventilation alvéolaire.

Stimulation périphérique rapide, mais pas très puissante.

En revanche, H+ = puissant stimulant des chémorécepteurs centraux (mais H+ ne traverse la barrière hémato-encéphalique que lentement (≠ CO2), expliquant un délai de quelques heures dans la réponse maximale du système.

A son tour, ↑ ventilation ⇒ ↓ PCO2 et donc un retour de [H+] vers normale.

1

PCO2 est fixé à la valeur dictée par le taux actuel de ventilation, lui-même déterminé par [H+] dans CSF. Surcharge acide stimule ventilation et ↓ PCO2 < normale, alors que surcharge de bases déprime ventilation et ↑ PCO2 > normale. Toutefois, production et élimination de CO2 restent en équilibre, simplement à un point d’opération PCO2 différent.

2

• Si surcharge en bases, l’hypoventilation est limitée par l’hypoxémie résultante.
• Si surcharge acide, ↑ ventilation ne peut retourner le pH à la normale car alors le stimulus pour une ↑ de ventilation disparaîtrait.
• Les poumons ne compensent pas complètement le trouble, mais simplement minimisent les changements de pH (poumons = tampon physiologique).

3.

Bien que les poumons minimisent les troubles acide-base non respiratoires, l’adjonction de H+ ou OH- altère durablement les réserves de HCO3-.

Un correcteur au gain infini, le rein, est nécessaire pour rétablir des réserves normales de HCO3- (régénération de nouveaux HCO3- ou élimination d’excès de HCO3-).

1. Des acides sont formés continuellement par le corps (produits de déchets du métabolisme). Mais les poumons ne peuvent éliminer que le H2CO3 volatile (en tant que CO2) et le corps doit faire appel à d’autres organes (rein) pour éliminer les acides non volatiles (env. 60 mmol/jour de H+ fixe).
2. Mais la quantité de H+ libre filtrable par le glomérule est trop petite (40 nmol/L x 180 L/jour ≅ 0.007 mmol/jour) pour éliminer 60 mmol de H+ fixe. Il faut d’autres mécanismes (sécrétion active de H+).
3. D’un autre côté, quantité filtrée de HCO3- par le glomérule est grande (24 mmol/L x 180 L/jour ≅ 4300 mmol/jour) et doit être réabsorbée (réserves ~ 340 mmol pour tout le ECF). Toutefois, les reins doivent aussi pouvoir régler l’élimination de HCO3- lors d’un excès de bicarbonates (suite à surcharge en bases).
4. En plus, le corps doit être capable de générer de nouveaux HCO3-, pour remplacer ceux consommés par la liaison à H+ et éliminés par les poumons sous forme de CO2 (H+ + HCO3- → CO2 + H2O).
5. Finalement, tout le H+ net formé ne peut pas être éliminé dans l’urine comme H+ libre car les reins ne peuvent produire un pH urinaire au dessous de 4.5 (= [H+] libre de 10-4.5 moles/L ou 0.03 mmol/L). S’il n’y avait pas de “tampons” dans le fluide tubulaire (qui lient de fortes quantités de H+), l’élimination de 60 mmol de H+ (comme H+ libre) devrait requérir un débit urinaire de 2000 L/jour (= 60 / 0.03).

Tous ces problèmes sont résolus par un simple mécanisme général qui agit à la fois dans tubule proximal et distal, permettant aux reins

• (a) de sécréter de larges quantités de H+ (neutralisés par les “tampons” tubulaires),
• (b) de réabsorber le HCO3- filtré, et
• (c) de générer de nouveaux ions HCO3-.

Les détails de ce mécanisme peuvent varier le long du néphron, mais les principes généraux peuvent être illustrés comme suit:

• Des molécules de H+ et HCO3- sont formées à l’intérieur des cellules tubulaires à partir de H2O et CO2, une réaction catalysée par l’enzyme anhydrase carbonique.
• H+ est sécrété dans fluide tubulaire (contre-transport Na+/H+ ; pompe H+-ATPase ou H+-K+-ATPase) alors que HCO3- formé est transporté à travers la membrane basolatérale.
• Le H+ sécrété est neutralisé par des “tampons” des fluides tubulaires.

(a) Si H+ se lie à HCO3-, il y a formation de H2O et CO2, donc réabsorption indirecte de l’ion HCO3- filtré.

(b) Si H+ se lie à “tampon” non-bicarbonate (phosphate, ammoniac) éliminé dans l’urine, il y a génération d’un nouveau HCO3- (néogenèse de bicarbonate), qui sera utilisé pour se lier aux H+ formés par le métabolisme corporel.

Les ions bicarbonate filtrés ne sont pas réabsorbés directement (la membrane tubulaire luminale est relativement imperméable à HCO3-), mais consommés dans le lumen et régénérés dans cellule tubulaire, d’où le terme de réabsorption indirecte de bicarbonate.

Normalement,

• env. 85% des bicarbonates filtrés sont réabsorbés dans tubule proximal, 
• env. 10% dans TAL de Henle, et
• moins de 5% atteignent le tubule distal et canal collecteur où le reste du HCO3- est normalement complètement réabsorbé

les 4 aspects majeurs sont!

• Mécanisme de sécrétion de H+
• Magnitude du gradient de protons à travers la membrane luminale
• Présence d’anhydrase carbonique luminale
• Mécanisme de transport de HCO3- à travers la membrane basolatérale

Sécrétion de H+ par contre-transport Na+/H+.

Surtout dans tubule proximal, TAL de Henle et dans début du tubule distal.

Fonctionne comme suit :

• [Na+] intracellulaire est maintenu bas par la pompe active Na+-K+-ATPase de la membrane basolatérale,
• permettant mouvement passif de Na+ du lumen dans la cellule tubulaire et
• donc la sécrétion active de H+ dans le lumen (transport actif secondaire).
• Le contre-transport Na+/H+ est stimulé par H+ cytoplasmique et angiotensine II (une ↓ ECF stimule la réabsorption de Na+), et inhibé par une ↑ [H+] dans lumen.

Sécrétion de H+ par pompe H+-ATPase

Bien que le contre-transport Na+-H+ soit responsable de la réabsorption indirecte de la plupart des HCO3- filtrés, son efficacité est limitée par la magnitude du gradient de Na+ et la diffusion paracellulaire de H+ à travers l’épithélium proximal.

En conséquence, le système ne peut générer un large gradient de protons et le pH du fluide tubulaire proximal reste au-dessus de 6.

En revanche, la pompe H+-ATPase peut fonctionner contre un gradient de concentration de 1000x.

Un tel gradient est requis pour pouvoir réabsorber les derniers bicarbonates filtrés et maintenir les acides fixes (en tant qu’ammonium) dans le fluide tubulaire.

Le tamponnage de H+ par HCO3- filtré et la formation subséquente de H2O et CO2 dans le lumen tubulaire sont grandement accélérés par l’enzyme anhydrase carbonique (type IV) présente à la surface luminale des cellules tubulaires proximales.

L’inhibition de l’enzyme luminale par l’acétazolamide

• ⇒ ↑ [H+] luminale et
• donc → pauvre sécrétion tubulaire de H+,
• résultant en acidose et
• diurèse de par la perte de bicarbonates (et des ions Na+ accompagnants) dans l’urine.

Dans le tubule proximal, HCO3- diffuse à travers membrane basolatérale via un cotransport spécialisé qui couple 3 HCO3- et 1 Na+.

Par contre, l’ion HCO3- généré dans les cellules intercalaires type A est excrété dans l’interstitium en échange d’un ion Cl- (anion exchanger 1, AE1).

A son tour, Cl- diffuse passivement dans l’interstitium pour maintenir l’électro-neutralité.

Un 2ème type de cellules intercalaires, les cellules intercalaires type B, est presque l’image miroir des cellules intercalaires type A. Elles sécrètent H+ dans l’interstitium via une H+-ATPase et sécrètent HCO3- dans le lumen en échange du Cl-. Elles jouent un rôle dans l’excrétion de larges charges de HCO3-.

= mécanisme qui permet d’éliminer les acides fixes.

Les ions H+ fixes issus du métabolisme consomment et donc ↓ les stores de bicarbonates.

Pour éviter une acidose progressive, le corps doit donc restaurer les réserves de HCO3- en générant de nouveaux ions HCO3- (via formation de H+ et HCO3- à partir de H2O et CO2 dans la cellule tubulaire, et élimination subséquente de H+ dans l’urine).

• Disponibilité de tampons non bicarbonate dans le fluide tubulaire
• Taux de sécrétion de H+

pH urinaire minimal = env. 4.5, donc quantité de H+ excrétable dans l’urine en tant que ions libres est très limitée.

Les tampons du fluide tubulaire piègent H+ qui peut être éliminé dans l’urine.

L’augmentation de tampons du fluide tubulaire est un mécanisme important dans la correction d’une surcharge acide chronique.

Avec chaque H+ sécrété et tamponné par un accepteur luminal non-bicarbonate (excrété dans l’urine), un nouveau HCO3- est généré, contribuant à ↑ [HCO3-] plasmatique.

De nombreux facteurs affectent sécrétion de H+ par le contre-transport Na+/H+. 

En plus, une ↑ primaire de PCO2 ⇒ ↑ aussi [H+] cellule tubulaire (ce qui stimule sécrétion luminale de H+ et donc réabsorption de HCO3- = mécanisme important de compensation dans maladies respiratoires chroniques avec accumulation de CO2 (voir acidose respiratoire), car permet un retour du pH extracellulaire à la normale.

1. Les tampons responsables de l’acidité titrable
2. Le tampon ammoniac

Acidité titrable = quantité de NaOH qui doit être ajoutée à une urine acide pour ramener le pH à 7.4. Représente quantité de H+ excrétée dans l’urine et liée aux tampons tubulaires avec un pK bas.   Le tampon ammoniac (NH4+/NH3) est le seul tampon avec pK >> 7.4, et n’est donc pas testé par l’addition de bases jusqu’à un pH de 7.4 .   Il s’agit avant tout du système tampon phosphate. Les deux formes de phosphate, alcaline (2Na+ + HPO42-) et acide (Na+ + H2PO4-), sont filtrées par le glomérule, avec ratio [ HPO42-] / [H2PO4-] de 4 à pH de 7.4.   Toutefois, H2PO4- ne contribue pas à la néogenèse de bicarbonates car ne peut accepter H+ (pour donner H3PO4) même à pH urinaire minimal.   Sécrétion luminale de H+ convertit forme alcaline en forme acide, Na+ est réabsorbé et un nouveau HCO3- est généré.   La titration de HPO42- a lieu surtout dans le tubule proximal puisqu’il y a peu de HPO42- à pH < 6

• Env. 150 mmol de HPO42- sont filtrés par jour, mais
• 80% à 90% sont normalement réabsorbés et ne contribuent donc pas à l’excrétion nette de H+.
• Le reste de HPO42- explique env. 15 à 30 mmol de H+ fixes excrétés par jour.

En acidose chronique, la quantité de phosphates excrétés ↑ un peu (↑ mobilisation de phosphates osseux), mais système phosphate ≠ contrôleur majeur de l’excrétion de H+ puisque l’excrétion rénale de phosphates est réglée par d’autres facteurs (parathormone, ~calcitonin).

D’autres tampons du fluide tubulaire (urate, citrate) contribuent aussi à l’acidité titrable, mais quantitativement moins importants.