L'eau et les solutions

Introduction

L'eau revêt une importance particulière à trois titres : en BIOLOGIE, elle représente plus des DEUX TIERS du poids de l'organisme ; en BIOPHYSIQUE, elle est le LIQUIDE DE RÉFÉRENCE ; en PHARMACIE, elle est le SOLVANT de la majorité des médicaments. Comprendre l'eau et les solutions, c'est donc comprendre le milieu dans lequel se déroulent tous les phénomènes que décriront les chapitres suivants. L'intérêt du chapitre est immédiatement clinique. Les modes d'expression de la concentration — molarité, molalité, concentration équivalente — sont ceux de tout ionogramme, et le principe d'électroneutralité permet d'en déduire une concentration inconnue. La solubilité et la sursaturation fondent la lithogenèse urinaire et sa prévention. Enfin, la méthode de dilution est la technique même de mesure des volumes des compartiments liquidiens. Nous verrons la répartition de l'eau corporelle, la définition d'une solution et les cinq concentrations, la solubilité et la miscibilité, la lithogenèse urinaire, puis la mesure des volumes liquidiens par traceur.

I. L'eau dans l'organisme

L'eau totale représente environ 65 à 70 % du poids corporel. Elle se répartit entre deux grands secteurs :

• Retenir la règle des trois quarts / un quart : dans le secteur EXTRACELLULAIRE, les TROIS QUARTS sont interstitiels et UN QUART est plasmatique.
• Le contenu en eau varie avec l'âge et le sexe : il est maximal chez le nouveau-né et décroît avec l'âge, et il est plus élevé chez l'homme que chez la femme — la masse grasse, pauvre en eau, étant proportionnellement plus importante chez cette dernière.

II. Les solutions et leurs concentrations

A. Définition

Lorsqu'un ou plusieurs solides, liquides ou gaz — les SOLUTÉS — sont mis en présence d'un liquide — le SOLVANT —, ils constituent avec ce dernier une SEULE PHASE LIQUIDE appelée SOLUTION. En résumé : SOLUTION = SOLVANT + un ou plusieurs SOLUTÉS.

B. Les cinq modes d'expression de la concentration

• Distinction capitale : la MOLARITÉ se rapporte au VOLUME DE SOLUTION, la MOLALITÉ à la MASSE DE SOLVANT. D'où le couple OSMOLARITÉ (somme des concentrations MOLAIRES) et OSMOLALITÉ (somme des concentrations MOLALES) — c'est cette dernière que mesure la cryoscopie.

C. La concentration équivalente et le Faraday

• LE FARADAY q₀ = 96 500 C est la CHARGE D'UNE MOLE D'UN ION MONOVALENT (valence z = 1).
• Démonstration : une mole d'ion contient N ions (N = nombre d'Avogadro) ; la charge vaut z × N × e = 1 × 6,023 × 10²³ × 1,6 × 10⁻¹⁹ = 96 500 C.
• Pour une mole d'un ion de valence zi, la charge vaut zi × 96 500 = zi·q₀.
• UN ÉQUIVALENT est la FRACTION DE MOLE D'ION QUI PORTE q₀ (96 500 C). Pour un ion de valence z : 1 Eq = 1/|z| mole.
• La CONCENTRATION ÉQUIVALENTE est le nombre d'équivalents Neq par unité de volume : Céq = Neq / V. C'est également le produit de la concentration molaire par la VALENCE : Céq = z × Cmolaire = z·n/V, exprimée en Eq/L ou mEq/L.
• On en déduit : Neq = z × n = valence × nombre de moles.
• Convention de signe : un CATION a PERDU z électrons, il porte donc une charge +z ; un ANION a GAGNÉ z électrons, il porte une charge −z.

D. Le principe d'électroneutralité

Toute solution est électriquement neutre : la CONCENTRATION TOTALE EN ÉQUIVALENTS ANIONIQUES est ÉGALE à la CONCENTRATION TOTALE EN ÉQUIVALENTS CATIONIQUES.

• Conséquence pratique : il devient possible de DÉTERMINER LA CONCENTRATION INCONNUE D'UN ION lorsqu'on connaît celles de tous les autres ions de la solution. C'est le principe même du calcul du trou anionique sur un ionogramme.

III. Solubilité et miscibilité

A. La solubilité

• Un morceau de sucre placé dans l'eau disparaît : il se dissout, il est donc SOLUBLE. Mais si l'on met une grande quantité de sucre dans un petit volume d'eau, la totalité ne se dissout pas : la solution est alors dite SATURÉE.
• Condition de la solubilité : il faut qu'il existe, entre les particules du solide et celles du solvant, des FORCES D'ATTRACTION.
• L'eau est une MOLÉCULE POLAIRE : elle exerce des forces d'attraction importantes sur les particules du solide — c'est pourquoi elle est un BON SOLVANT.
• Cas des GAZ : la quantité dissoute est fonction de la PRESSION PARTIELLE — LOI DE HENRY (voir le chapitre de l'état gazeux).

B. La miscibilité des liquides

IV. Biophysique de la lithogenèse urinaire

A. Définitions

• La LITHOGENÈSE regroupe l'ensemble des processus qui conduisent au développement d'un CALCUL dans les voies urinaires.
• LITHIASE = CALCUL = corps solide formé dans une voie excrétrice.
• La lithogenèse urinaire est un phénomène MULTIFACTORIEL, aboutissant à la formation d'un calcul à partir de cristaux qui NAISSENT, CROISSENT et S'AGGLOMÈRENT.
• Les calculs d'OXALATE DE CALCIUM représentent 70 % des cas.

B. Les sept étapes

Le processus se décompose en SEPT étapes, qui se succèdent ou s'entremêlent :

• 1. La cristallogenèse et la SURSATURATION des urines.
• 2. La GERMINATION cristalline.
• 3. La CROISSANCE des cristaux.
• 4. L'AGRÉGATION des cristaux.
• 5. L'AGGLOMÉRATION cristalline.
• 6. La RÉTENTION des particules cristallisées.
• 7. La CROISSANCE du calcul.

C. La cristallogenèse — étape initiale

• La SURSATURATION des urines représente le MÉCANISME FONDAMENTAL nécessaire à l'apparition des germes cristallins.
• Une substance cristalline soluble peut se dissoudre jusqu'à une CONCENTRATION LIMITE ; au-delà, la solution est dite SURSATURÉE.
• Dans les urines, PLUS LA SURSATURATION EST ÉLEVÉE, PLUS LES CRISTAUX SE FORMENT RAPIDEMENT.
• La pathologie lithiasique proprement dite se définit par la RÉTENTION et la CROISSANCE des cristaux et agrégats cristallins — la seule cristallurie ne suffit pas.

D. Les facteurs favorisants

• La CROISSANCE cristalline, directement favorisée par la SURSATURATION et par le RALENTISSEMENT DU DÉBIT URINAIRE. La sursaturation traduit un EXCÈS de concentration d'une substance dissoute par rapport aux CAPACITÉS SOLVANTES de l'urine.
• L'AGRÉGATION cristalline : augmentation rapide de la taille des particules déjà formées, par ATTRACTIONS ÉLECTROSTATIQUES entre les cristaux.
• Les PLAQUES DE RANDALL (Randall, 1936) : calcifications INTRATISSULAIRES — plaques de PHOSPHATE DE CALCIUM — situées dans la MÉDULLAIRE PROFONDE du rein. Leur mécanisme reste imparfaitement élucidé.

E. La prévention

Le principe est de DIMINUER LA SURSATURATION, en augmentant la capacité solvante des urines et en diminuant l'excrétion de substances cristallisables :

• Augmentation de la DIURÈSE.
• ALCALINISATION ou ACIDIFICATION urinaire, SELON LA NATURE DES CALCULS.
• Diminution de la quantité de sels cristallisables.
• Lutte contre l'INFECTION CHRONIQUE.
• Augmentation de l'apport d'INHIBITEURS : MAGNÉSIUM, CITRATE.

Mesures diététiques générales, applicables à tout patient lithiasique :

• DIURÈSE > 2 000 mL : premier objectif à atteindre et à maintenir au long cours, évaluée sur le volume des urines de 24 h ; boissons réparties tout au long de la journée.
• Alimentation NORMALISÉE — et non supprimée — en CALCIUM (800 mg à 1 g/j), en SEL (< 9 g/j) et en PROTÉINES ANIMALES (< 1,2 g/kg/j).
• Limiter les aliments riches en OXALATES : chocolat, fruits secs, épinards, oseille, rhubarbe, thé. Limiter ou arrêter les boissons sucrées et sodas (FRUCTOSE).

V. Mesure du volume d'un compartiment liquidien

A. Le principe de dilution

La méthode se base sur le PRINCIPE DE DILUTION : on injecte dans un compartiment une quantité CONNUE n (en moles) d'un TRACEUR, contenue dans un petit volume, puis on calcule le volume du compartiment à partir de la concentration atteinte à l'équilibre.

• Formule : n = c × V, d'où V = n / c, où c est la concentration du traceur dans le compartiment à l'équilibre. Le VOLUME DE DISTRIBUTION du traceur (Vd) est ÉGAL au volume du compartiment étudié.

B. Les cinq propriétés du traceur

• Il se répartit de façon HOMOGÈNE dans le compartiment.
• Il NE DIFFUSE PAS — ou peu — EN DEHORS.
• Il N'EST PAS MÉTABOLISÉ durant le temps de mesure.
• Il N'EST PAS ÉLIMINÉ.
• Son introduction NE MODIFIE PAS le volume du compartiment.
• Le traceur est en général MARQUÉ PAR UN ISOTOPE RADIOACTIF et SPÉCIFIQUE du volume étudié : le calcul repose alors sur le principe de DILUTION ISOTOPIQUE.

C. Les marqueurs des différents compartiments

• Deux volumes ne se mesurent PAS directement mais se CALCULENT par soustraction : LIQUIDE INTRACELLULAIRE = ECT − LEC, et LIQUIDE INTERSTITIEL = LEC − liquide plasmatique.

Conclusion

L'eau représente 65 à 70 % du poids corporel, répartie entre un secteur intracellulaire (40 %) et un secteur extracellulaire (20 %), lui-même fait de trois quarts d'interstitiel et d'un quart de plasmatique. Les solutés qu'elle contient s'expriment selon cinq concentrations dont il faut retenir les dénominateurs : la molarité rapporte au volume de solution, la molalité à la masse de solvant, et la concentration équivalente intègre la valence — Céq = z × Cmolaire —, avec le Faraday (96 500 C) comme charge d'une mole d'ion monovalent. Le principe d'électroneutralité permet d'en déduire toute concentration manquante. La solubilité repose sur l'existence de forces d'attraction entre soluté et solvant : la polarité de l'eau en fait un excellent solvant. Son dépassement définit la sursaturation, mécanisme fondamental de la lithogenèse urinaire — sept étapes, de la cristallogenèse à la croissance du calcul, dont la prévention tient d'abord à une diurèse supérieure à 2 litres. Enfin, la méthode de dilution — V = n/c — mesure les volumes liquidiens à l'aide de traceurs spécifiques, les secteurs intracellulaire et interstitiel n'étant obtenus que par soustraction. Le chapitre suivant, consacré au travail, à l'énergie et aux potentiels, introduira les forces qui font mouvoir ces fluides.