Régulation volume liquidien Flashcards
Soit un système artificiel formé de deux compartiments fermés séparés par une membrane rigide. Indiquer sur un schéma les conditions qui permettent l’installation d’un équilibre de Gibbs-Donnan. Citer et expliquer brièvement les caractéristiques du système lorsque G-D est atteint.
Le système est composé des compartiments 1 et 2 de même volume. Ces compartiments ont des parois latérales ainsi qu’une membrane de séparation rigides (indéformables).
La membrane est perméable au Na+, au Cl- et à l’eau (ions perméants) mais est imperméable aux protéines P- (protéines imperméantes) qui sont des macromolécules chargées négativement.
Initialement, le compartiment 2 (ext) contient une solution de NaCl 100 mM et le compartiment 1 (int) contient une solution de protéinate de sodium 100mM. Il n’y a donc pas de gradient de Na+ mais un gradient de Cl- (pas dans le cpt 1) et les P- sont uniquement présentes dans le compartiment 1.
Pas de ddp entre compartiments.
L’électroneutralité est respectée.
Pas de différence d’osmolarité et de pression hydrostatique entre cpts.
Le Cl- diffuse alors du cpt 2 (ext) vers le cpt 1 (int) selon son gradient de concentration. Initialement le Na+ ne diffuse pas puisqu’il n’y a pas de gradient de Na+ mais comme le Cl+ diffuse, cela crée une séparation de charges ainsi qu’une différence de potentiel. Le cpt 1 devient donc négatif -> entraînement de Na+ vers le cpt interne en quantité identique au Cl- afin de préserver l’électroneutralité.
À l’équilibre :
Il résulte une asymétrie de concentrations de NaCl dans les 2 compartiments
Il existe une différence de potentiel membranaire (-18 mV), le cpt 1 (int) contenant P- étant négatif. Cette différence de potentiel est le potentiel de Donnan, qui correspond au potentiel d’équilibre du Na+ et au potentiel d’équilibre du Cl- qui ont la même valeur (même amplitude et même signe). Elle s’oppose exactement aux gradients de Na+ et Cl- et est calculée par la relation de Nernst.
Vm= +61,5.log(67/133) = -18,3 mV
Il existe un gradient osmotique, le cpt 1 contenant les protéines qui ont une osmolarité plus élevée.
La distribution de Gibbs-Donnan est donc un état d’inégalité osmotique et l’eau va entrer dans le cpt 1 (int) dont le niveau va augmenter jusqu’au moment où la hauteur de la colonne d’eau du cpt 1 exerce une pression hydrostatique qui s’oppose exactement à la pression osmotique. -> l’équilibre est atteint et les concentrations ne varient plus.
Expliquer pourquoi le potentiel de Gibbs-Donnan est un potentiel d’équilibre électrochimique.
L’équilibre de Gibbs Donnan est lié à la présence de protéines intracellulaires anioniques imperméantes (P-) et d’ions imperméants.
La ddp résulte de la distribution passive des ions perméants -> il s’agit donc d’un potentiel d’équilibre électrochimique qui est calculé d’après la relation de Nernst. Cette relation de Nernst doit être égale pour les ions perméants, la DF s’exerçant sur chaque ion perméant étant = 0.
( suite au gradient osmotique entre les 2 cpts, l’eau va entrer dans le cpt 1 (int) dont le niveau va augmenter jusqu’au moment où la hauteur de la colonne d’eau du cpt 1 exerce une pression hydrostatique qui s’oppose exactement à la pression osmotique. -> l’équilibre est atteint et les concentrations ne varient plus, alors que les deux volumes ont variés)
Expliquer le mécanisme du Double Donnan
L’osmolarité cellulaire reste stationnaire dans la mesure où l’entrée de Na+ passive est systèmatiquement contrebalancée par sa sortie active via la Na+,K+-ATPase (modèle pompe-fuite).
Le Na+ reste cantonné à l’extérieur de la cellule et peut être finalement considéré comme un ion non perméant.
“double distribution de G-D” pour indiquer que:
- Le Na+ est un soluté osmotiquement actif, considéré comme non perméant et restreint au milieu extracellulaire.
- Les protéines anioniques représentent l’autre soluté osmotiquement actif, restreint à l’espace intracellulaire.
Le Double Donnan contrebalance l’inégalité osmotique et permet de maintenir stable le volume cellulaire.
Une cellule eucaryote est incubée à 37°C, en présence d’ouabaïne 1mM. Expliquer l’effet de l’ouabaïne sur le volume cellulaire / la ddp membranaire.
La ouabaïne est un inhibiteur de la Na+,K+-ATPase.
Effet sur le volume cellulaire :
L’ouabaïne inhibe la Na+,K+ - ATPase -> 3 Na+ entrent dans le cellule alors que 2 K+ quittent la cellule. Ces fuites passives ne sont plus contrebalancées.
Il y aura une dépolarisation membranaire liée à la dissipation des gradients ioniques. (Lorsque Vm se dépolarise et devient > Ecl la driving force qui s’exerce sur le Cl- devient positive et fait entrer le Cl-)
Afin de maintenir l’électroneutralité, il y a une entrée de Cl- = entrée de NaCl→ entrée d’eau pour assurer l’équilibre osmotique → augmentation du volume cellulaire.
Effet sur la ddp membranaire :
Lorsqu’on inhibe la Na+,K+- ATPase avec de l’ouabaïne, on se rend compte que le potentiel de Gibbs-Donnan contribue de façon mineure au potentiel de repos.
En effet qqs mV résiduels (<5 mV) sont liés à la présence de protéines anioniques et phosphates organiques intracellulaires non perméants.
D’autre part, l’inhibition de la Na+,K+ - ATPase par l’ouabaïne a encore 2 effets sur le potentiel membranaire :
- *Rapide et direct** : une réduction de +/- 5 mV puisque la pompe est électrogénique et participe pour +/- 5 mV (rôle minoritaire de la pompe)
- *Lent et indirect :** dissipation progressive des gradients ioniques puisque la pompe établit et maintient les gradients ioniques transmembranaires asymétriques (rôle principal de la pompe)
Expliquer pourquoi une hypokaliémie sévère n’entraine pas d’œdème cérébral.
La tonicité plasmatique est très majoritairement (quasi exclusivement) conditionnée par la natrémie (le Na+ et les anions qui l’accompagnent conditionnent > 90% de la tonicité du plasma).
La kaliémie normale se situe entre 3.5 et 4.5 à 5 mEq/l et n’intervient quasi pas dans la tonicité plasmatique.
Le K+ est majoritairement intracellulaire où sa quantité reste très stable (sauf si déplétion potassique importante).
Une hypokaliémie aigue même sévère à 2mEq/l, ne représente qu’une diminution d’à peine 1.5-2 mEq/l, soit 1.5-2 msom/l :
- Ne s’accompagne pas d’une diminution de la quantité de K+ intracellulaire
- N’influence pas la tonicité plasmatique
- N’entraîne pas de mvts liquidiens entre compartiments
- Pas d’effet sur le volume cellulaire DONC Volume des cellules cérébrales inchangé
Remarque : l’hypokaliémie même sévère ne modifie pas l’activité de la Na+,K+ - ATPase.
Citer le processus régulateur qui intervient rapidement lorsqu’une cellule est placée en milieu hypotonique. Expliquer brièvement intérêt d’un tel processus et citer les mécanismes mis en jeu.
Lorsqu’une cellule est placée en milieu hypotonique, il s’ensuit 2 phénomènes :
Modification très rapide du volume cellulaire (
- Augmentation du volume en milieu hypotonique
Retour au volume normal (10-20 min)
- RVD :
regulatory volume decrease, perte de solutés osmotiquement actifs (surtout K+, Cl- et osmolytes + eau) lorsque la cellule est en milieu hypotonique ; activation du symport KCC, canaux Cl- volume sensibles (VRAC), canaux K+ volume sensible.
Perte d’osmolytes (sortie extracellulaire)
Deux mécanismes différents:
- Très rapides: transport passif des osmolytes
- voies de passage encore mal précisées
- Lents: réduction intracellulaire des osmolytes (downrégulation)
- répression de gènes favorisant la synthèse des osmolytes
- répression de gènes favorisant la synthèse des transporteurs
Citer le processus régulateur qui intervient rapidement lorsqu’une cellule est placée en milieu hypertonique. Expliquer brièvement intérêt d’un tel processus et citer les mécanismes mis en jeu.
Lorsqu’une cellule est placée en milieu hypertonique, il s’ensuit 2 phénomènes :
Modification très rapide du volume cellulaire (< 1 min)
- Diminution du volume en milieu hypertonique
Retour au volume normal (10-20 min)
- RVI :
regulatory volume increase, incorporation de solutés osmotiquement actifs (surtout NA+, Cl- et osmolytes+ eau) lorsque la cellule est en milieu hypertonique ; activation du symport NKCC1, échangeur NHE1 et les symports Na+/Cl-/osmolytes
Gains d’osmolytes (accumulation intracellulaire)
Deux mécanismes différents:
- Rapides:
- Transport actif secondaire des osmolytes par des cotranspoteurs
- BGT1 (Na+/Cl-/bétaïne)
- TauT (Na+/Cl-/taurine)
- SMIT (Na+/myo-inositol)
- Transport actif secondaire des osmolytes par des cotranspoteurs
- Lents:
- génération intracellulaire des osmolytes (uprégulation)
- activation de gènes favorisant l’augmentation de la synthèse d’osmolytes
- activation de gènes favorisant la synthèse des transporteurs
- activation de la synthèse d’aldose réductase (synthèse sorbitol, lors de la diminution oedème cérébral chronique)
- génération intracellulaire des osmolytes (uprégulation)
Expliquer le risque inhérent à la correction d’une hyponatrémie chronique et sévère.
Une Hyponatrémie est définie par <135 mEq/L de plasma (N 135-145mEq/L)
Elle peut résulter d’un excès d’eau qui augmente le volume du LEC (via AQP1) et/ou d’une diminution de la quantité de Na+.
Une hyponatrémie peut être responsable de signes et symptômes neurologiques dûs au gonflement des cellules cérébrales dont la sévérité dépend de l’importance de l’hyponatrémie et de sa vitesse d’installation (céphalées, confusion, convulsion, coma). Et la clinique est d’autant plus sèvère que l’installation de l’hyponatrémie est rapide.
1/Lorsque PNa chute de façon aigue, les cellules cérébrales gonflent, les mécanismes de régulation aigue étant dépassés et les mécanismes de régulation plus lents (au niveau génomique) n’ayant pas encore eu le temps de s’exprimer. Un œdème cérébral se développe avec signes et symptômes neurologiques d’autant plus sévères que l’installation est rapide et l’hypoNa prononcée. L’œdème cérébral augmente la pression intracrânienne (ce qui comprime les ventricules et permet d’expulser une certaine quantité de liquide extracellulaire) et lorsque PNa chute en dessous de 120 mEq/L, le risque d’engagement cérébral devient réel et le pronostic vital devient sérieusement menacé.
2) Lorsque PNa chute de façon progressive en > 48h, les mécanismes régulateurs (sortie d’ions et d’osmolytes et régulation génomique) permettent la sortie d’ions (K+ et anions) et d’osmolytes et de restaurer ainsi le volume cérébral à son niveau quasi initial, alors que la perturbation càd l’hyponatrémie persiste. L’hyponatrémie d’installation progressive est nettement mieux tolérée: les signes et symptômes neurologiques sont beaucoup moins sévères et même parfois quasi absents alors que l’hypoNa est parfois plus marquée qu’en situation aigue
3) Si la correction de l’hyponatrémie est trop importante et/ou trop rapide, la cellule cérébrale qui a perdu des osmoles pour restaurer son volume se retrouve dans un milieu qui devient trop rapidement hypertonique. Les mécanismes de compensation (qui doivent maintenant fonctionner en sens inverse, càd faire rentrer des ions et des osmolytes) risquent d’être dépassés et la diminution du volume cellulaire risque d’entraîner une démyélinisation osmotique ou myélinolyse centro-pontine (en pointillés sur le schéma; les oligodendrocytes sont particulièrement atteints) avec de graves conséquences neurologiques. La pathogénèse de la myélinolyse centro-pontine reste encore mal connue.
4) Lorsque la correction de l’hyponatrémie est plus lente, la cellule cérébrale peut s’adapter à la réduction de l’hyponatrémie et revenir à une composition cellulaire et à un volume cellulaire normaux, sans complication.
Expliquer le risque inhérent d’une hypernatrémie chronique.
Une hypernatrémie est caractérisée par >145 mEq/L de plasma (N: 135-145 mEq/L)
L’hypernatrémie peut résulter d’un déficit en eau qui diminue le volume du LEC et/ou d’une augmentation de la quantité de Na+.
Le déficit en eau est la cause la plus fréquente d’hyponatrémie.
Une Hypernatrémie induit des signes neurologiques (contraction des cellules cérébrales) dont la sévérité dépend de l’importance de l’hypernatrémie et de sa vitesse d’installation (céphalées, confusion, convulsions, coma)
La clinique est d’autant plus sévère que l’installation est rapide.
1) Lorsque PNa augmente de façon aigue, les cellules cérébrales diminuent de volume et étirent les vaisseaux cérébraux (avec risque de rupture), les mécanismes de régulation aigue étant dépassés et les mécanismes de régulation plus lents (au niveau génomique) n’ayant pas encore eu le temps de s’exprimer.
2) Lorsque PNa augmente de façon progressive, les mécanismes régulateurs (entrée de Na+, K+ et anions et d’osmolytes et régulation génomique) permettent l’entrée d’ions (Na+, K+ et anions) et d’osmolytes et de restaurer ainsi le volume cérébral (en près de 48h) à son niveau quasi initial, alors que la perturbation càd l’hypernatrémie persiste. L’hypernatrémie d’installation progressive est nettement mieux tolérée.
3) Si la correction de l’hypernatrémie est trop importante et/ou trop rapide, la cellule cérébrale qui a gagné des osmoles pour restaurer son volume se retrouve dans un milieu qui devient trop rapidement hypotonique. Les mécanismes de compensation (qui doivent maintenant fonctionner en sens inverse, càd faire sortir des ions et des osmolytes) risquent d’être dépassés et l’augmentation du volume cellulaire risque d’entraîner un œdème cérébral avec de graves conséquences neurologiques.
4) Lorsque la correction de l’hypernatrémie est plus lente, la cellule cérébrale peut s’adapter à la réduction de l’hypernatrémie et revenir à une composition cellulaire et un volume cellulaire normaux, sans complication.
Les osmolytes sont de…
… petits solutés organiques osmotiquement actifs, qui évitent une accumulation intracellulaire de concentrations ioniques trop élevées (délétères pour les structures et la fonction des macromolécules). Concentrations IC= 10-100 mM
Citez les 3 catégories principales d’osmolytes.
AA et dérivés (Ala, Glu, Gla, Gly, Pro, Ser, Thr, Tau, GABA) Polyols (glycérol, sorbitol, myo-inositol) Méthylamines (bétaïne, glycérophosphorylcholine)
V/F les différences osmotiques surviennent physiologiquement alors que la tonicité du milieu extracellulaire reste constante.
VRAI elles résultent du transport de solutés osmotiquement actifs et/ou de la formation de solutés osmotiquement actifs par le métabolisme cellulaire. (si la tonicité du milieu extracellulaire varie alors c’est une situation pathologique)
V/F les variations du volume cellulaire sont des signaux cellulaires.
VRAI elles déclenchent (ou modulent) une grande variété de processi physiologiques:
- transport épithélial
- régulation du métabolisme
- division cellulaire
- migration cellulaire
- apoptose
- …
Que se passe t’il si l’on applique un Gibbs-Donnan à une cellule animale?
Dans le cas d’une cellule animale dont la paroi n’est pas rigide et qui ne peut faire face à une pression hydrostatique importante (à la différence d’une cellule végétale dont les parois sont rigides), l’eau va rentrer et la cellule va gonfler.
L’entrée d’eau dilue le cpt interne et il n’y aura pas d’état d’équilibre tant que l’entrée d’eau ne sera pas stoppée.
La cellule animale finit par se rompre avant que l’état d’équilibre ne soit atteint.
mvt d’eau -> gonflement cellulaire -> rupture cellulaire
V/F GIBSS-DONNAN: Qu’il s’agisse des cations anions ou des anions perméants, la concentration de ceux-ci est plus grande dans le compartiment contenant les protéines anioniques non perméantes.
VRAI
De même que la concentration en cations est plus élevée que celle en anion dans ce compartiment.
Ou même de TOUS les ions (anions/cations perméants + protéines imperméantes)
