concentration ionique de l’eau de mer et du liquide extracellulaire de quelques animaux

Les concentrations en calcium des liquides extracellulaires (LEC) des différents animaux phylogénétiquement éloignés (Mollusques, Arthropodes, Vertébrés) et aux milieux de vie différents (eau de mer, eau douce, vie aérienne) sont comprises entre 2 et 16 mM, valeur de même ordre de grandeur. Les animaux vivant en eau salée (langoustine, calmar) ont une [Ca]_LEC proche de la concentration calcique du milieu extérieur ([Ca]_ME). Les animaux vivant en eau douce ou en milieu aérien ont en général des [Ca]_LEC plus faibles. Certains animaux, cependant – comme le flet – vivent dans un milieu dont la concentration en calcium est supérieure à la [Ca]_LEC.

le calcium dans l’organisme humain

Que peut-on dire de la répartition du calcium dans l’organisme humain ? Peut-on en dire la même chose d’un Invertébré ?

Dans l’organisme humain, la quasi totalité du calcium est sous forme insoluble, constitutive du squelette. Néanmoins, ce calcium n’est pas " inerte " et peut intervenir dans la régulation des flux de calcium dans l’organisme. En effet, l’os est une structure vivante et résulte d’un équilibre dynamique entre anabolisme (accrétion osseuse) et catabolisme (résorption osseuse) résultant de l’activité de cellules spécialisées, les ostéoblastes, les ostéocytes et les ostéoclastes. Le calcium osseux – tout au moins la partie mobilisée dans cet équilibre accrétion/résorption – joue en rôle important dans le maintien de l’homéostasie calcique.

Ceci n’est pas le cas chez les Invertébrés, qui par définition de possèdent pas de squelette osseux. Certains Invertébrés possèdent dans leur organisme du calcium insoluble constitutif en quantité importante – p. ex. l’exosquelette des Malacostracés (langouste, homard…). Mais ce calcium ne résulte pas d’un équilibre dynamique et régulé entre accrétion et résorption et ne peut pas intervenir dans l’homéostasie calcique de l’organisme de la même manière que chez Mammifères. C’est également le cas pour certains Téléostéens, dont le squelette est " inerte" et bien entendu pour les poisson dont le squelette est cartilagineux.
 
 

La concentration molaire est égale à la concentration massique divisé par la masse molaire ; La concentration en calcium du sang ([Ca]_sg) molaire est donc :

En prenant comme valeur moyenne de la calcémie 10 mg/100 ml, calculer les concentrations molaires des différentes formes de calcium.

Une calcémie ([Ca]_sg) de 10 mg/100 ml correspond à une concentration molaire de 2,5 mM.

calcium lié aux protéines ([Ca-Prot]) = 2,5 x 40% = 2,5 x 0,4 = 1 mM

calcium (complexe ultrafiltrable) = 2,5 x 10% = 2,5 x 0,1 = 0,25 mM

calcium libre ionisé ([Ca]_libre) (ultrafiltrable) = 2,5 x 50% = 2,5 x 0,5 = 1,25 mM

Que peut-on dire de l’affinité du Ca²⁺ pour les protéines plasmatiques ?

K correspond à une constante de dissociation, et est donc une mesure de l’affinité du calcium pour les protéines plasmatiques. Si la valeur de la constante de dissociation (K_D) est élevée, cela signifie que l’affinité est faible.

L’affinité des protéines plasmatiques pour le calcium est faible (K de l’ordre du mM) et est de même ordre de grandeur que la [Ca]_libre. Une diminution de la [Ca]_libre entraînera une diminution de la [Ca-Prot], c’est-à-dire la libération du calcium lié aux protéines, ce qui aura pour effet de contrebalancer la diminution initiale de [Ca]_libre. Une augmentation de la [Ca]_libre aura un effet inverse. Les protéines plasmatiques – surtout l’albumine – jouent donc un rôle de tampon de la [Ca]_libre.

Pour une concentration en Ca²⁺ ionisé constante, quel va être la conséquence sur la calcémie d’une diminution de l’albuminémie ?

Une diminution de la concentration en albumine se traduit par une diminution de la [Ca-Prot], et donc de la [Ca]_sg – même si la [Ca]_libre demeure constante. L’estimation de la [Ca]_libre à partir de la mesure de la [Ca]_sg nécessite donc de tenir compte de la concentration sanguine en protéines. Plusieurs formules empiriques ont été proposées pour déterminer la [Ca]_libre à partir de la [Ca]_sg, la méthode la plus rigoureuse consistant à mesurer directement la [Ca]_libre.

Une hyperventilation se traduit par une alcalose sanguine. Quelle va être sa conséquence sur la concentration en calcium ionisé ?

L’augmentation de K correspond à une diminution de l’affinité protéines plasmatiques pour le calcium. Par conséquent, la proportion de calcium ionisé est plus importante, la [Ca]_libre augmente.

• Le flux d’entrée et de sortie de calcium sont-ils en équilibre ?

• À quel(s) niveau(x) s’effectue la régulation de cet équilibre ?

• Dans quelle(s) condition(s) physiologique(s) cet équilibre peut-il être rompu ?

• Dans les conditions physiologiques, quelles sont les paramètres calciques de l’organisme qui restent constants ?

L’homéostasie calcique concerne l’ensemble des mécanismes régulant les flux de calcium dans l’organisme et ceux assurant le maintien des valeurs de [Ca²⁺]_LEC et de [Ca²⁺]_i.

La courbe est une sigmoïde décroissante. Le point d’inflexion de la courbe correspond à la valeur de la [Ca²⁺]_libre.

Le point d’inflexion de la courbe correspond à une concentration plasmatique en Ca²⁺ ionisé de 5 mg/dl, soit 1,25 mM, ce qui est la valeur moyenne de la concentration plasmatique en Ca²⁺ ionisé (cf. supra).

Une faible variation de [Ca²⁺]_LEC autour de la valeur de ce point – correspondant à la valeur de consigne de la [Ca²⁺]_libre – dans un sens ou dans l’autre va entraîner une modification de la production de PTH qui va contribuer à ramener la [Ca²⁺]_libre vers la valeur de consigne.

effet de la PTH
Quelles sont les conséquences sur la calcémie des effets de la PTH ?

La PHT est une hormone hypercalcémiante, par une action directe et indirecte. La PTH va agir directement sur la réabsorption de calcium au niveau rénal, et sur la mobilisation du calcium osseux par augmentation de la résorption (cet effet ne s’observe que pour de fortes concentrations de PTH). Elle va agir indirectement en stimulant la production de 1,25 (OH)₂D, hormone elle-même hypercalcémiante.

Quel est l’effet principal de la vitamine D ? Par quel effet sur la transcription s’explique-t-il ?

La vitamine D (1,25 (OH)₂D) est une hormone hypercalcémiante. Son effet principal est d’augmenter l’absorption de calcium par l’intestin, effet induit par l’augmentation des récepteurs à la vitamine D, de la synthèse des calbindins et des pompes calciques au niveau des cellules intestinales. La vitamine D a également un effet sur le métabolisme osseux – les récepteurs à la 1,25 (OH)₂D sont présents sur les ostéoblastes –, liés à l’augmentation de la synthèse de phosphatase alcaline et d’ostéocalcine.

Quels sont les effets de la vitamine D qui mettent en jeu un rétrocontrôle de sa production ?

Le rétrocontrôle de la production de 1,25 (OH)₂D est assuré par :

• la diminution de la synthèse de 1-hydroxylase, qui entraîne une diminution de la synthèse de 1,25 (OH)₂D ;
• l’augmentation de la synthèse de 24-hydroxylase, qui entraîne la synthèse de 24,25 (OH)₂D – métabolite inactif – au détriment de la synthèse de 1,25 (OH)₂D à partir de la 25(OH)D ;
• la diminution de la synthèse de PTH, qui entraîne – entre autre – une diminution de la synthèse de 1,25 (OH)₂D induite par la PTH.

quels sont les facteurs qui stimulent directement la production de 1,25 (OH)₂D ?

Les facteurs qui stimulent directement la production de 1,25 (OH)₂D sont ceux qui activent la 1-hydroxylase rénale, c’est-à-dire la PTH – dont les récepteurs sont présents sur les cellules rénales – et la baisse de la concentration de la 1,25(OH)₂D elle-même (l’hypophosphatémie stimule également directement la 1-hydroxylase).

Le récepteur à la calcitonine est présent sur les ostéoclastes. Son activation se traduit par une inactivation des ostéoclastes, et donc une diminution de la résorption osseuse.

Quel est l’effet de la calcitonine sur la calcémie ?

La calcitonine est une hormone hypocalcémiante. Son effet principal est dû à son action inhibitrice de l’activité des ostéoclastes. La résorption osseuse est donc inhibée au profit de l’accrétion, ce qui se traduit par une diminution de la calcémie.

importance de la calcitonine dans l’homéostasie calcique

La suppression de la production de calcitonine – lors d’ablation totale de la thyroïde – ne provoque pas d’élévation significative de la concentration plasmatique en calcium.

Un tumeur de la thyroïde entraînant une production excessive chronique de calcitonine d’entraîne pas d’hypocalcémie.

Quel est l’importance de la calcitonine dans l’homéostasie calcique ?

Le fait que la diminution ou l’augmentation de la production de calcitonine n’influence pas significativement la calcémie montre que cette hormone ne joue pas un rôle important dans l’homéostasie calcique chez l’homme.

Chez quels animaux la calcitonine devrait avoir le rôle le plus important ? (cf. tableau 1)

Chez l’homme – et chez les Mammifères qui ont un mode de vie aérien – l’apport de calcium est essentiellement alimentaire, et les besoins en calcium importants, que ce soit pour la constitution du squelette ou pendant la fin de la gestation et la lactation. Le risque principal est l’hypocalcémie plutôt que l’hypercalcémie. Cela explique que le rôle d’une hormone hypocalcémiante ne soit pas fondamental.

Le débit de filtration glomérulaire chez l’homme étant en moyenne de 130 ml.min^-1, quel est la quantité de calcium filtré par jour ?

La quantité de calcium filtré par jour est égale au produit du débit journalier de filtration glomérulaire par la concentration plasmatique en calcium ultrafiltrable. Le calcium ultrafiltrable est le calcium ionisé et celui sous forme de complexes ultrafiltrables, celui lié aux protéines ne l’étant pas, soit 1,25 + 0,25 mM (cf. supra).

La valeur demandée est donc :

La quantité de calcium filtré quotidiennement au niveau du rein est environ 10 fois la quantité de calcium ingéré. Environ 2 % – soit 200 mg – du calcium filtré est excrété ; 98 % est réabsorbé.

À quel niveau la réabsorption de calcium est-elle régulée ?

La plus grande partie du calcium filtré est réabsorbé au niveau du tube contourné proximal (70 %) et de l’anse de Henlé (17 %). La réabsorption à ce niveau se fait à la fois de manière passive (par voie paracellulaire) et par voie active (par voie transcellulaire).

Quelle est la conséquence de la lactation sur les flux calciques dans l’animal ?

La quantité journalière de calcium nécessaire à la production d’une vache laitière est de plus de 30 g par jour, ce qui est une quantité très importante. Le calcium sécrété dans le lait provenant du calcium plasmatique, la lactation a tendance à entraîner une hypocalcémie. La réponse hormonale devrait être l’augmentation de la production de PTH et de vitamine D, se traduisant par une augmentation de l’absorption intestinale de calcium, une diminution de son excrétion urinaire et éventuellement une augmentation de la résorption osseuse.

Le début de lactation entraîne chez certaines vaches laitières une parésie hypocalcémique (fièvre vitulaire, milk fever). Quels déséquilibres endocriniens pourraient expliquer cette pathologie ?

Un effet insuffisant des hormones hypercalcémiantes – PTH et vitamine D –, soit par insuffisance de production, soit par diminution de la réponse à ces hormones.

Les concentrations plasmatiques en PHT et en vitamine D ne sont pas modifiées chez les vaches souffrant de parésie hypocalcémique. Comment peut-on alors expliquer l’apparition de cette hypocalcémie ?

On pourrait l’expliquer par une diminution de la réponse aux hormones hypercalcémiantes, par exemple, une diminution de l’expression des récepteurs.

(Il a été montré que la densité des récepteurs à la vitamine D dans l’intestin augmentait pendant la gestation et la lactation, mais qu’au moment de la parturition, la densité de récepteurs chutait, ce qui pourrait être un facteur prédisposant à la parésie hypocalcémique post-partum.)

L’administration avant la parturition d’un régime riche en calcium prédispose à la parésie hypocalcémique. Pourquoi ?

Un régime riche en calcium va induire une réponse endocrinienne diminuant les capacités d’absorption du calcium (diminution de la production de PTH, de vitamine D, des récepteurs à la vitamine D, des pompes calciques), altérant les capacités de l’organisme à répondre à une brusque diminution de la calcémie engendrée par le début de la lactation.

transfusion sanguine

Quel est son effet sur la concentration sanguine en calcium ionisé ?
Le citrate va chélater le calcium ionisé du sang, entraînant une diminution de la [Ca]_libre.

Quelle sera la réponse endocrinienne de l’organisme ?
Une augmentation de la production des hormones hypercalcémiantes, PTH et vitamine D.

hyperparathyroïdie

Un adénome de la parathyroïde peut conduire à la production non régulée de parathormone.
Quelle est la conséquence de cette pathologie sur la calcémie ?

L’augmentation de la production de PTH va entraîner une hypercalcémie.

insuffisance rénale
L’insuffisance rénale se traduit, entre autre, par une diminution de l’activité 1-hydroxylase des cellules rénales et par une acidose sanguine.

Quels en sont les effets sur les productions de PTH, de calcitriol et de calcitonine ?

Une augmentation de la production de PTH, et une diminution de la production de calcitriol. et de calcitonine

Pourquoi ?

L’acidose sanguine augmente l’affinité du calcium pour les protéines plasmatiques, ce qui entraîne une diminution de la [Ca]_libre. Ceci entraîne une diminution de la production de calcitonine et une augmentation de la production de PTH. Celle-ci augmente normalement la production de vitamine D par stimulation de la synthèse de 1-hydroxylase. Cependant, dans ce cas, l’activité de cette enzyme est diminuée, ce qui fait que la production de vitamine D active est diminuée malgré l’augmentation de la PTH.

Quelles en seront les conséquences sur l’homéostasie calcique ?

C’est pour le calcium que cette différence est la plus forte.

Pour quelle(s) raison(s) la [Ca²⁺]_i de repos d’une cellule doit-elle être faible ?

La présence dans la cellule de phosphates inorganiques solubles est indispensable à la synthèse des molécules qui sont les sources énergétiques de la cellules, en particulier l’ATP (ADP + Pi ® ATP). Or, le calcium forme avec les phosphates inorganiques de composées phosphocalciques insolubles. Une concentration élevée en calcium, en précipitant les Pi, empêcherait la production d’énergie utilisable par la cellule. Selon certains auteurs, c’est ce qui a conduit primitivement à l’apparition de mécanismes responsables du maintien d’une [Ca²⁺]_i particulièrement basse.

En quoi cette faible concentration de la [Ca²⁺]_i fait du Ca²⁺ un " bon " messager intracellulaire ?

Quelles sont les principales structures responsables du maintien de cette valeur de [Ca²⁺]_i ?
- les pompes calciques ATPases de la membrane plasmique (PMCA) ;
- les pompes calciques ATPases du réticulum endosarcoplasmique (SERCA) ;
- l’échangeur 3Na⁺/Ca²⁺.