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Sommaire

  • 1Principe d'un système tampon
  • 2Système tampon fermé
  • 3Système tampon ouvert
  • 4Le tampon bicarbonate–acide carbonique
    • 4.1Relation entre pH, bicarbonate et dioxyde de carbone lock — section verrouillée
  • 5Fonctionnement physiologique du tampon bicarbonate lock — section verrouillée
    • 5.1Pourquoi ce tampon est-il prépondérant ? lock — section verrouillée
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B7 · Équilibre acido-basique

Systèmes tampons ouverts et fermés ; tampon bicarbonate

Comparer un tampon en système fermé et un tampon ouvert dont un partenaire est éliminé. Décrire le tampon bicarbonate-acide carbonique, sa relation pH–PCO₂–bicarbonates et son rôle prépondérant dans l'organisme.

Biophysique·schedule6 min de lecture·quiz15 QCM corrigés

Principe d'un système tampon

Définition

Système tampon

Milieu contenant un acide faible et sa base conjuguée, capable de limiter une variation de pH lors de l'ajout modéré d'un acide ou d'une base.

Un couple tampon s'écrit sous la forme :

HA⇌HX++AX−\ce{HA <=> H+ + A-}HA​HX++AX−

L'acide faible HA\ce{HA}HA peut céder un proton, tandis que sa base conjuguée AX−\ce{A-}AX− peut en capter un. Ainsi :

  • l'ajout de HX+\ce{H+}HX+ déplace l'équilibre vers HA\ce{HA}HA ;
  • l'ajout d'une base consommant les protons déplace l'équilibre vers AX−\ce{A-}AX−.

Le tampon ne supprime donc pas la perturbation : il la transforme en une variation du rapport entre les deux formes du couple. Son efficacité est nécessairement limitée par les quantités disponibles de chacune d'elles.

Formule

Relation de Henderson-Hasselbalch

pH=pKa+log⁡([AX−][HA])\mathrm{pH} = \mathrm{p}K_a + \log\left(\frac{[\ce{A-}]}{[\ce{HA}]}\right)pH=pKa​+log([HA][AX−]​)
  • pH\mathrm{pH}pH : mesure de l'acidité du milieu
  • pKa\mathrm{p}K_apKa​ : opposé du logarithme décimal de la constante d'acidité du couple
  • [AX−][\ce{A-}][AX−] : concentration de la base conjuguée
  • [HA][\ce{HA}][HA] : concentration de l'acide faible
  • log⁡\loglog : logarithme décimal

Le pH dépend donc du rapport base sur acide, et non de la seule concentration totale du tampon. À concentrations totales comparables, le pouvoir tampon est maximal lorsque les deux formes sont présentes en proportions voisines, donc lorsque le pH est proche du pKa\mathrm{p}K_apKa​.

Système tampon fermé

Définition

Système tampon fermé

Système dans lequel ni l'acide faible ni sa base conjuguée ne sont échangés avec l'extérieur pendant la perturbation acido-basique.

Dans un système fermé, la quantité totale du couple reste constante. Si CTC_TCT​ désigne sa concentration totale :

CT=[HA]+[AX−]C_T = [\ce{HA}] + [\ce{A-}]CT​=[HA]+[AX−]

L'ajout de protons transforme une partie de AX−\ce{A-}AX− en HA\ce{HA}HA, mais le produit formé reste dans le système. Inversement, l'ajout d'une base transforme une partie de HA\ce{HA}HA en AX−\ce{A-}AX− sans élimination de matière.

Le tampon est progressivement épuisé lorsque l'une de ses deux formes devient trop peu abondante. Sa capacité dépend donc :

  • de la concentration totale CTC_TCT​ ;
  • du rapport initial entre AX−\ce{A-}AX− et HA\ce{HA}HA ;
  • de l'écart entre le pH et le pKa\mathrm{p}K_apKa​ ;
  • de la quantité d'acide ou de base ajoutée.

Système tampon ouvert

Définition

Système tampon ouvert

Système tampon dont au moins l'un des partenaires peut être ajouté, éliminé ou maintenu à une valeur déterminée par des échanges avec l'extérieur.

Lorsqu'un partenaire peut être éliminé, le produit de la réaction tampon ne s'accumule pas nécessairement. L'équilibre continue alors à se déplacer pour consommer la perturbation. La capacité apparente du tampon n'est plus limitée à la seule quantité initialement présente dans le compartiment.

Cette ouverture n'est toutefois pas synonyme de capacité infinie. L'efficacité dépend de la vitesse des échanges avec l'extérieur et des possibilités de renouvellement ou d'élimination du partenaire concerné.

Comparaison

Tampons fermés et ouverts

CritèreSystème ferméSystème ouvert
Échanges avec l'extérieurAbsents pour les partenaires du couplePrésents pour au moins un partenaire
Concentration totale du coupleConstante pendant la perturbationPeut varier par apport ou élimination
Produit de la réaction tamponReste dans le systèmePeut être éliminé
Capacité tamponLimitée par les réserves initialesRenforcée par les échanges régulés
ÉquilibreRedistribution interne des deux formesRedistribution associée à un flux vers l'extérieur
À retenir

Un tampon ouvert est particulièrement efficace lorsque la substance produite lors du tamponnement peut être rapidement éliminée : son accumulation est évitée et la réaction peut continuer à consommer la perturbation.

Le tampon bicarbonate–acide carbonique

Le principal système tampon du milieu extracellulaire repose sur les équilibres suivants :

COX2(g)⇌COX2(diss)\ce{CO2(g) <=> CO2(diss)}COX2​(g)​COX2​(diss) COX2(diss)+HX2O⇌HX2COX3⇌HX++HCOX3X−\ce{CO2(diss) + H2O <=> H2CO3 <=> H+ + HCO3-}COX2​(diss)+HX2​O​HX2​COX3​​HX++HCOX3​X−

Le dioxyde de carbone dissous COX2(diss)\ce{CO2(diss)}COX2​(diss) est en équilibre avec l'acide carbonique HX2COX3\ce{H2CO3}HX2​COX3​. Comme l'hydratation du dioxyde de carbone est rapide et que la quantité de véritable acide carbonique est faible, ces deux formes acides sont regroupées dans une concentration acide apparente.

Définition

Pression partielle PCOX2P_{\ce{CO2}}PCOX2​​

Part de la pression totale attribuable au dioxyde de carbone dans un mélange gazeux en équilibre avec le liquide considéré.

Selon la loi de solubilité des gaz, la concentration de dioxyde de carbone dissous est proportionnelle à sa pression partielle :

[COX2(diss)]=αPCOX2[\ce{CO2(diss)}] = \alpha P_{\ce{CO2}}[COX2​(diss)]=αPCOX2​​

Le coefficient α\alphaα est le coefficient de solubilité du dioxyde de carbone dans le liquide. À température physiologique, il vaut approximativement 0.03 mmol ⋅ L−1 ⋅ mmHg−1\pu{0.03 mmol.L^{-1}.mmHg^{-1}}0.03 mmol⋅L−1⋅mmHg−1 lorsque PCOX2P_{\ce{CO2}}PCOX2​​ est exprimée en mmHg\pu{mmHg}mmHg.

Relation entre pH, bicarbonate et dioxyde de carbone

L'application de la relation de Henderson-Hasselbalch au système bicarbonate conduit à une relation utilisant un pKa\mathrm{p}K_apKa​ apparent voisin de 6,16{,}16,1.

Formule

Relation du tampon bicarbonate

pH=6,1+log⁡([HCOX3X−]αPCOX2)\mathrm{pH} = 6{,}1 + \log\left( \frac{[\ce{HCO3-}]} {\alpha P_{\ce{CO2}}} \right)pH=6,1+log(αPCOX2​​[HCOX3​X−]​)
  • pH\mathrm{pH}pH : acidité du milieu
  • 6,16{,}16,1 : pKa\mathrm{p}K_apKa​ apparent du système bicarbonate–dioxyde de carbone
  • [HCOX3X−][\ce{HCO3-}][HCOX3​X−] : concentration en ions bicarbonate, généralement en mmol ⋅ L−1\pu{mmol.L^{-1}}mmol⋅L−1
  • α\alphaα : coefficient de solubilité du dioxyde de carbone, en mmol ⋅ L−1 ⋅ mmHg−1\pu{mmol.L^{-1}.mmHg^{-1}}mmol⋅L−1⋅mmHg−1
  • PCOX2P_{\ce{CO2}}PCOX2​​ : pression partielle du dioxyde de carbone, en mmHg\pu{mmHg}mmHg
  • log⁡\loglog : logarithme décimal
Exemple

Calculer le pH à partir du bicarbonate et de la PCO₂

Dans un plasma, la concentration en bicarbonate est [HCOX3X−]=24 mmol ⋅ L−1[\ce{HCO3-}] = \pu{24 mmol.L^{-1}}[HCOX3​X−]=24 mmol⋅L−1 et la pression partielle de dioxyde de carbone est PCOX2=40 mmHgP_{\ce{CO2}} = \pu{40 mmHg}PCOX2​​=40 mmHg. Le coefficient de solubilité vaut α=0 ,03 mmol ⋅ L−1 ⋅ mmHg−1\alpha = \pu{0{,}03 mmol.L^{-1}.mmHg^{-1}}α=0 ,03mmol⋅L−1⋅mmHg−1.

La concentration de dioxyde de carbone dissous est :

αPCOX2=0 ,03 mmol ⋅ L−1 ⋅ mmHg−1×40 mmHg=1 ,2 mmol ⋅ L−1\alpha P_{\ce{CO2}} = \pu{0{,}03 mmol.L^{-1}.mmHg^{-1}} \times \pu{40 mmHg} = \pu{1{,}2 mmol.L^{-1}}αPCOX2​​=0 ,03mmol⋅L−1⋅mmHg−1×40 mmHg=1 ,2mmol⋅L−1

Le rapport bicarbonate sur forme acide vaut donc :

[HCOX3X−]αPCOX2=241,2=20\frac{[\ce{HCO3-}]}{\alpha P_{\ce{CO2}}} = \frac{24}{1{,}2} = 20αPCOX2​​[HCOX3​X−]​=1,224​=20

Ainsi :

pH=6,1+log⁡(20)=6,1+1,30=7,40\mathrm{pH} = 6{,}1 + \log(20) = 6{,}1 + 1{,}30 = 7{,}40pH=6,1+log(20)=6,1+1,30=7,40

Le pH est de 7,407{,}407,40. Cette valeur correspond au rapport habituel entre bicarbonate et dioxyde de carbone dissous dans le milieu extracellulaire.

Cette relation montre que le pH augmente lorsque la concentration en bicarbonate augmente, toutes choses égales par ailleurs. À l'inverse, il diminue lorsque la pression partielle de dioxyde de carbone augmente. Le pH dépend donc d'un rapport entre :

  • une composante principalement contrôlée par les reins, [HCOX3X−][\ce{HCO3-}][HCOX3​X−] ;
  • une composante volatile principalement contrôlée par les poumons, αPCOX2\alpha P_{\ce{CO2}}αPCOX2​​.
Attention

Ne pas confondre pression et concentration

PCOX2P_{\ce{CO2}}PCOX2​​ est une pression partielle, tandis que αPCOX2\alpha P_{\ce{CO2}}αPCOX2​​ représente la concentration de dioxyde de carbone dissous. C'est cette dernière qui intervient comme forme acide dans le rapport de Henderson-Hasselbalch.

Fonctionnement physiologique du tampon bicarbonate

Lors d'un apport de protons, les ions bicarbonate les fixent :

HX++HCOX3X−⇌HX2COX3⇌COX2+HX2O\ce{H+ + HCO3- <=> H2CO3 <=> CO2 + H2O}HX++HCOX3​X−​HX2​COX3​​COX2​+HX2​O

Le dioxyde de carbone formé peut être transporté vers les poumons puis éliminé par la ventilation. Le système est donc ouvert du côté du dioxyde de carbone. Cette élimination déplace l'équilibre vers la consommation des protons.

Lors d'un apport basique, la forme acide du système fournit des protons, ce qui limite l'augmentation du pH. La production métabolique de dioxyde de carbone, ses échanges pulmonaires et les ajustements ventilatoires participent au maintien de cette composante acide.

À plus long terme, les reins réabsorbent le bicarbonate filtré, régénèrent du bicarbonate et éliminent des acides non volatils. Les mécanismes détaillés de compensation respiratoire et rénale appartiennent à la fiche consacrée aux troubles acido-basiques.

Pourquoi ce tampon est-il prépondérant ?

Le pKa\mathrm{p}K_apKa​ apparent du système bicarbonate est éloigné du pH physiologique, ce qui pourrait sembler défavorable pour un tampon fermé. Son rôle majeur s'explique cependant par plusieurs propriétés associées :

  • le bicarbonate est abondant dans le milieu extracellulaire ;
  • le dioxyde de carbone est continuellement produit par le métabolisme ;
  • la composante acide est rapidement échangeable avec l'air alvéolaire ;
  • la ventilation contrôle rapidement PCOX2P_{\ce{CO2}}PCOX2​​ ;
  • les reins contrôlent plus lentement la quantité de bicarbonate.

Le tampon bicarbonate relie ainsi l'équilibre chimique, la ventilation pulmonaire et la fonction rénale. Les protéines et les phosphates contribuent également au tamponnement, notamment dans les cellules, mais ils ne remplacent pas ce système ouvert dans le milieu extracellulaire.

À retenir

Dans l'organisme, le pH ne dépend pas séparément du bicarbonate ou de la PCOX2P_{\ce{CO2}}PCOX2​​, mais du rapport [HCOX3X−]/(αPCOX2)[\ce{HCO3-}]/(\alpha P_{\ce{CO2}})[HCOX3​X−]/(αPCOX2​​). Une modification proportionnelle des deux composantes peut laisser ce rapport, donc le pH, inchangé.

Remarque

Le diagramme de Davenport représente graphiquement les relations entre pH, bicarbonate et PCOX2P_{\ce{CO2}}PCOX2​​ ; sa construction et sa lecture relèvent de la fiche suivante.

Points clés
  • Un tampon fermé redistribue une quantité totale fixe entre une forme acide et une forme basique.
  • Un tampon ouvert échange au moins l'un de ses partenaires avec l'extérieur, ce qui renforce sa capacité apparente.
  • Le système bicarbonate associe HCOX3X−\ce{HCO3-}HCOX3​X− à la forme acide représentée par le dioxyde de carbone dissous.
  • Le pH dépend du rapport [HCOX3X−]/(αPCOX2)[\ce{HCO3-}]/(\alpha P_{\ce{CO2}})[HCOX3​X−]/(αPCOX2​​).
  • Les poumons contrôlent rapidement la composante carbonique, tandis que les reins contrôlent plus lentement le bicarbonate.
  • L'ouverture respiratoire explique le rôle prépondérant du tampon bicarbonate dans le milieu extracellulaire.

Fiches connexes

À réviser dans la foulée, sur Équilibre acido-basique.

  • Fiche 01Potentiel électrochimique et mesure du pHÉquilibre acido-basique
  • Fiche 03Diagramme de DavenportÉquilibre acido-basique
  • Fiche 04Troubles acido-basiques : acidoses, alcaloses et compensationsÉquilibre acido-basique
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