Chapitre 2 — Compartiments liquidiens · Topic 2 : Distribution et mesure des volumes · Leçon 2.4
Les compartiments liquidiens ne diffèrent pas seulement par leur volume, mais aussi par leur composition ionique. Le sodium domine l’extracellulaire, le potassium l’intracellulaire. Cette asymétrie est maintenue activement et conditionne tous les échanges transmembranaires. Cette leçon détaille les concentrations ioniques, la notion d’osmolalité efficace et le rôle particulier de l’urée et du glucose.
🎯 Objectifs pédagogiques
À la fin de cette leçon, tu sauras :
- comparer la composition ionique des secteurs intra- et extracellulaire ;
- différencier le plasma du liquide interstitiel ;
- définir l’osmolalité efficace et la distinguer de l’osmolalité totale ;
- expliquer pourquoi l’urée n’est pas osmotiquement active ;
- expliquer pourquoi le glucose est une osmole efficace.
🧭 Plan de la leçon
- Composition ionique des compartiments
- L’osmolalité efficace
- Osmolalité efficace et hydratation cellulaire
1. Composition ionique des compartiments
| Ion / substance | Plasma | Interstitiel | Intracellulaire |
|---|---|---|---|
| Na+ | 135-145 mmol/L | ~140 mmol/L | 10-20 mmol/L |
| K+ | 3,5-5 mmol/L | ~4 mmol/L | ~140 mmol/L |
| Ca2+ | ~2,5 mmol/L | ~1,5 mmol/L | < 0,001 mmol/L |
| Cl− | ~105 mmol/L | ~115 mmol/L | ~5 mmol/L |
| HCO3− | ~24 mmol/L | ~28 mmol/L | ~10 mmol/L |
| Phosphates (HPO42−) | ~1 mmol/L | ~1 mmol/L | Abondants |
| Protéines | Abondantes | Quasi absentes | Abondantes |
| Urée | ~5 mmol/L | ~5 mmol/L | ~5 mmol/L |
| Glucose | ~5 mmol/L | ~5 mmol/L | Variable (métabolisé) |
Ordres de grandeur à l’état physiologique normal. Les valeurs intracellulaires sont des moyennes cellulaires.
Secteur extracellulaire : le Na+ est le cation largement majoritaire (> 95 % de l’osmolalité cationique), accompagné du Cl− et du HCO3− comme anions principaux. Le plasma et l’interstitiel ont une composition ionique très proche, à l’exception notable des protéines, présentes uniquement dans le plasma.
Secteur intracellulaire : le K+ est le cation dominant (~140 mmol/L), et les phosphates (HPO42− et H2PO4−) sont les anions majoritaires. Le Na+ intracellulaire est très faible (10-20 mmol/L), maintenu bas par la pompe Na+/K+ ATPase qui expulse en permanence 3 Na+ et fait entrer 2 K+.
Concernant le calcium : sa concentration plasmatique est d’environ 2,5 mmol/L (calcémie), tandis qu’en intracellulaire elle est extrêmement faible (< 0,001 mmol/L soit 10−4 mmol/L). Le calcium intracellulaire, bien que minime en quantité, joue un rôle de second messager essentiel dans la signalisation cellulaire (contraction musculaire, exocytose, activation enzymatique).
La concentration plasmatique en potassium (kaliémie) est comprise entre 3,5 et 5 mmol/L. Toute variation de la kaliémie, même modeste, peut avoir des conséquences graves sur l’excitabilité cardiaque. C’est pourquoi la kaliémie fait partie des paramètres systématiquement contrôlés dans l’ionogramme sanguin.
L’urée a la même concentration dans tous les compartiments (~5 mmol/L) car elle diffuse librement à travers les membranes (via des canaux perméants à l’urée). Elle ne crée pas de gradient osmotique : ce n’est pas une osmole efficace. Le glucose, en revanche, possède une osmolalité efficace car il est métabolisé dès son entrée dans la cellule (en ATP, glycogène, acides gras puis triglycérides).
Les deux substances neutres quantitativement importantes dans l’organisme sont donc l’urée et le glucose. On peut résumer ainsi :
| Substance | Perméabilité membranaire | Osmole efficace ? | Explication |
|---|---|---|---|
| Urée | Élevée (canaux perméants) | Non | S’équilibre de part et d’autre, pas de gradient |
| Glucose | Faible (transport facilité) | Oui | Métabolisé en entrant dans la cellule → gradient maintenu |
2. L’osmolalité efficace
L’osmolalité efficace est la concentration des solutés qui exercent un pouvoir osmotique réel, c’est-à-dire ceux qui ne diffusent pas librement à travers la membrane cellulaire :
| Paramètre | Valeur |
|---|---|
| Osmolalité totale | ~310 mOsm/kg d’eau |
| Osmolalité de l’urée | ~5 mOsm/kg d’eau |
| Osmolalité efficace totale | ~305 mOsm/kg d’eau |
L’osmolalité efficace est la variable régulée par l’organisme. À l’équilibre :
Osmolalité efficace extracellulaire = osmolalité efficace intracellulaire
Il n’y a alors aucun mouvement net d’eau d’un compartiment à l’autre.
L’osmolalité plasmatique normale est de 285-290 mOsm/kg de plasma (et non d’eau). La différence avec la valeur « par kg d’eau » (~310 mOsm/kg d’eau) vient du fait que 1 L de plasma contient seulement 930 mL d’eau, les 70 mL restants étant occupés par les protéines plasmatiques (colloïdes). En physiologie, osmolarité et osmolalité sont souvent utilisées de façon interchangeable.
Les colloïdes sont des composés qui ne passent pas au travers d’une membrane semi-perméable : dans le plasma, cela concerne essentiellement les protéines de haut poids moléculaire (albumine, globulines) et les lipides. À l’inverse, les cristalloïdes (majoritairement les ions Na+, K+, Cl−, HCO3−) peuvent traverser une membrane semi-perméable.
L’osmolalité intracellulaire est, par définition, identique à l’osmolalité extracellulaire, mais on ne la mesure pas directement : toutes les mesures sont réalisées dans le plasma (prise de sang). L’osmolalité intracellulaire est donc déduite de l’osmolalité plasmatique.
L’osmolalité plasmatique peut être estimée cliniquement par la formule simplifiée : osmolalité ≈ 2 × [Na+] + [glucose] + [urée] (en mmol/L). Cette approximation repose sur le fait que Na+ et ses anions associés (Cl−, HCO3−) représentent plus de 90 % de l’osmolalité (source : Harrison’s Principles of Internal Medicine, 21e éd.).
3. Osmolalité efficace et hydratation cellulaire
L’osmolalité efficace extracellulaire est le reflet de l’hydratation cellulaire :
- une augmentation de l’osmolalité efficace extracellulaire (ex. : apport de sel sans eau) provoque un flux d’eau sortant des cellules → déshydratation intracellulaire ;
- une diminution de l’osmolalité efficace extracellulaire (ex. : apport d’eau sans osmoles) provoque un flux d’eau entrant dans les cellules → hyperhydratation intracellulaire.
Le contenu intracellulaire en osmoles efficaces est considéré comme constant chez le sujet normal. En effet, la cellule est délimitée par une membrane qui n’est pas très extensible : son volume doit donc rester constant. Pour cela, le contenu en osmoles de chaque cellule est finement régulé (pour la majorité des solutés, en dehors de l’urée). Puisque le contenu en osmoles conditionne les transferts d’eau, maintenir constant le contenu en osmoles permet de maintenir constant le volume cellulaire.
La variable qui varie physiologiquement est l’osmolalité efficace extracellulaire, et c’est elle qui déclenche les mécanismes de régulation (soif, ADH, excrétion rénale).
Pour bien comprendre les conséquences cliniques, considérons deux situations types :
- Apport d’osmoles sans eau (ex. : excès de sel) : l’osmolalité efficace extracellulaire augmente → l’eau sort des cellules → déshydratation intracellulaire. L’organisme réagit par la soif, qui provoque un apport d’eau rétablissant l’osmolalité mais augmentant le VEC.
- Apport d’eau sans osmoles (ex. : potomanie) : l’osmolalité efficace extracellulaire diminue → l’eau entre dans les cellules → hyperhydratation intracellulaire (2/3 de l’eau supplémentaire va en intracellulaire, 1/3 en extracellulaire). L’organisme réagit par une inhibition de l’ADH et une dilution des urines.
Bien que les concentrations des solutés individuels (Na+, K+, Cl−…) soient très différentes entre intra- et extracellulaire, les osmolalités efficaces sont égales dans les deux secteurs à l’équilibre. C’est la somme de toutes les osmoles efficaces qui est identique, pas chaque ion pris isolément.
Un excès d’eau (hyponatrémie de dilution) altère le fonctionnement du cerveau : lenteur d’idéation, confusion, troubles de l’équilibre. Dans les cas graves (natrémie < 120 mmol/L), l’hyperhydratation des neurones peut provoquer un oedème cérébral mettant en jeu le pronostic vital (source : Harrison’s Principles of Internal Medicine, 21e éd.).
Les différences de concentration ionique entre plasma et interstitiel (ex. : Cl− un peu plus élevé dans l’interstitiel) s’expliquent par l’effet Donnan : la présence de protéines chargées négativement dans le plasma retient les cations et repousse les anions diffusibles.
Cet effet sera détaillé dans le chapitre sur l’excitabilité neuronale (source : cours UE3b Biophysique, Sorbonne Université).
L’albumine, principale protéine plasmatique (~40 g/L), porte une charge nette négative à pH physiologique et contribue le plus à cet effet.
🧠 À retenir absolument
- Extracellulaire : Na+ (cation), Cl− et HCO3− (anions) ; intracellulaire : K+ (cation), phosphates (anions).
- Plasma et interstitiel : composition ionique proche, sauf les protéines (plasma uniquement).
- Osmolalité efficace ≈ 305 mOsm/kg = osmolalité totale moins l’urée (non efficace car diffuse librement).
- Le glucose est une osmole efficace (métabolisé en entrant dans la cellule).
- L’osmolalité efficace extracellulaire = reflet de l’hydratation cellulaire : variable régulée par l’organisme.
❓ Questions fréquentes
Pourquoi le sodium est-il si faible en intracellulaire ?
Grâce à la pompe Na+/K+ ATPase qui expulse en permanence 3 Na+ hors de la cellule pour 2 K+ introduits. Ce transport actif consomme de l’ATP mais maintient les gradients ioniques indispensables à l’excitabilité cellulaire.
Pourquoi l’urée n’exerce-t-elle pas de pression osmotique ?
Parce qu’elle traverse librement les membranes cellulaires (via des canaux perméants à l’urée). Sa concentration s’équilibre rapidement de part et d’autre : elle ne crée pas de gradient osmotique et n’attire pas l’eau.
Qu’est-ce que l’effet Donnan ?
C’est l’effet qui apparait quand un ion ne peut pas traverser une membrane alors que d’autres le peuvent. Les protéines plasmatiques (chargées -), incapables de traverser la paroi capillaire, retiennent les cations et repoussent les anions diffusibles, créant de légères différences de concentration entre plasma et interstitiel.
Comment un apport de sel sans eau modifie-t-il l’hydratation cellulaire ?
L’apport de NaCl augmente l’osmolalité efficace extracellulaire. L’eau sort des cellules pour équilibrer les osmolalités : les cellules se déshydratent. Les osmorécepteurs hypothalamiques, dont le volume diminue, augmentent leur fréquence de décharge et déclenchent la soif ainsi que la sécrétion d’ADH.
Pourquoi le calcium intracellulaire est-il si faible ?
Parce que la cellule maintient activement le Ca2+ à un niveau extrêmement bas (< 0,001 mmol/L) par des pompes calciques et le stockage dans le réticulum endoplasmique. Cette faible concentration permet au calcium de jouer un rôle de second messager : toute élévation, même minime, constitue un signal intracellulaire puissant.
🚀 Pour aller plus loin
Les gradients ioniques sont à la base de l’excitabilité cellulaire et des potentiels de membrane :
Contenu pédagogique original — Réussir SVT. L’équipe Réussir SVT.