Biologie Fondamentale - Échanges Gazeux

Introduction à la Biologie Fondamentale - UE 2.1-2010

• Thème principal: Les échanges gazeux dans le corps humain (O2, CO2 et CO) et leurs interactions avec les molécules organiques.

Objectifs Pédagogiques

• Comprendre les échanges gazeux et la respiration cellulaire.
• Connaître les paramètres de mesure des gaz du sang.
• Connaître le stress oxydatif.
• Connaître les dérivés azotés impliqués dans la respiration.

L'Oxygène (O2) : Gaz Indispensable

• L'air atmosphérique contient environ 21% d'oxygène (O2).
• L'oxygène est indispensable à toutes les cellules de l'organisme.
• L'O2 est extrait de l'air ambiant par la ventilation pulmonaire.
• Les cellules consomment l'O2 pour produire de l'énergie et produisent du CO2 (respiration cellulaire).

Étapes de la Respiration

• Ventilation: échange d'air entre l'atmosphère et les alvéoles.
• Échange gazeux alvéolaires: Échange de gaz entre l'air alvéolaire et le sang.
• Transport gazeux: Transport de l'oxygène et du dioxyde de carbone dans la circulation sanguine.
• Échange gazeux tissulaires: Échange de gaz entre le sang et les cellules.
• Respiration cellulaire: Utilisation cellulaire de l'oxygène et production de CO2.

Pression Partielle des Gaz

• Chaque molécule de gaz exerce une pression appelée pression partielle (P).
• La pression atmosphérique au niveau de la mer est de 760 mmHg.
• La pression partielle d'oxygène (PO2) de l'air atmosphérique est de 160 mmHg (21% de 760 mmHg).

Échanges Gazeux aux Alvéoles Pulmonaires

• Les poumons sont constitués de petits sacs appelés alvéoles.
• Les vaisseaux sanguins pulmonaires forment un riche réseau de capillaires autour des alvéoles.
• L'oxygène (PO2) de l'air alvéolaire est plus élevé que dans le sang artériel entrant dans le poumon, permettant un échange gazeux.

Transport de l'Oxygène par les Globules Rouges

• L'hémoglobine (Hb) transporte l'oxygène (O2) dans le sang (environ 98%)
• L'hémoglobine est constituée de 4 chaînes de globines (2 alpha et 2 béta) et de 4 hèmes, chacun contenant un atome de fer qui fixe l'oxygène.
• La quantité totale d'oxygène transportée dépend : du pourcentage de saturation de l'Hb et de la quantité d'Hb.
• La concentration moyenne d'Hb est de 14 g/dl chez la femme et de 16 g/dl chez l'homme.
• Une faible quantité d'Hb (anémie) réduit le transport de l'oxygène.

Diminution du Taux d'Oxygène

• Hypoxémie: diminution de la quantité d'oxygène (O2) dans le sang.
• Hypoxie: diminution de l'apport d'oxygène (O2) aux cellules.
• Anoxie: diminution importante de l'apport d'oxygène (O2) aux tissus.
• Des adaptations physiologiques (hyperventilation, augmentation de la production de globules rouges) peuvent compenser ces diminutions. Exemple: l'acclimatation à haute altitude.

Hypoxie en Haute Altitude

• La pression atmosphérique diminue avec l'altitude entraînant une baisse de la PO2 dans l'air inspiré.
• La baisse de la PO2 diminue la PO2 alvéolaire, entraînant éventuellement le mal des montagnes. Symptômes incluent: essoufflement, céphalées, nausées etc.

Le Dioxyde de Carbone (CO2):

• Le CO2 est produit par la respiration cellulaire.
• Environ 25% du CO2 est transporté par l'hémoglobine, le reste par les bicarbonates.
• La fixation du CO2 à l'hémoglobine facilite la libération de l'oxygène.

Transport du CO2 dans le Sang

• Le CO2 produit par les tissus diffuse dans le sang.
• La majeure partie du CO2 est transportée sous forme d'ions bicarbonate (HCO3-) et d'ions hydrogène (H+) dans les globules rouges.
• Dans les poumons, le processus est inversé. Le CO2 est libéré et expulsé lors de l'expiration.

Le Monoxyde de Carbone (CO)

• Gaz incolore, inodore, mortel.
• Libéré lors de combustions incomplètes.
• Fixation du CO à la place de l'O2 sur l'hémoglobine, formant de la carboxyhémmoglobine, diminuant le transport d'oxygène.
• Symptômes d'intoxication au CO: céphalées, nausées et coma. Peut être fatal.
• Traitement: caisson hyperbare (application d'oxygène pur à haute pression).

La Respiration Cellulaire

• Les cellules utilisent l'oxygène pour produire de l'énergie par un mécanisme d'oxydoréduction.
• L'oxygène joue le rôle de comburant.
• Les carburants (glucides, acides gras, protéines) sont dégradés pour libérer l'énergie.

L'ATP - Donneur d'Énergie

• Les mitochondries stockent l'énergie principalement sous forme d'ATP (adénosine triphosphate).
• L'ATP possède des liaisons riches en énergie entre les groupes phosphates.
• L'hydrolyse de l'ATP (coupure des liaisons) libère de l'énergie pour les réactions métaboliques.
• L'ATP doit être régénéré en dégradant des carburants (ex: glycolyse et beta-oxydation).

Le Métabolisme Énergétique

• La glycolyse et la bêta-oxydation sont des étapes clés du métabolisme énergétique permettant de synthétiser de l'ATP.
• Le cycle de Krebs, a partir de l'acétyl-CoA produit du CO2 et du NADH (transporteurs d'électrons).
• Chaine respiratoire: transfert d'électrons du NADH vers l'oxygène pour generer l'ATP.

Le Stress Oxydatif

• Les réactions d'oxydation (ex: dans les peroxysomes) produisent des radicaux libres, dont le peroxyde d'hydrogène.
• Ces radicaux libres sont nocifs pour les constituants cellulaires et peuvent causer des dommages tissulaires.
• Les enzymes antioxydants limitent ces effets oxydatifs (ex: alpha-tocopherol, Vitamine C)

Mesure des Gaz du Sang

• Prise de sang artériel pour mesurer:
  • La pression partielle d'oxygène (PaO2)
  • La pression partielle de dioxyde de carbone (PaCO2)
  • Le pH
  • La saturation artérielle en oxygène (SaO2).
• Ces mesures peuvent indiquer des anomalies de l'oxygénation du sang et des déséquilibres acido-basiques (ex: insuffisance respiratoire).

L'Azote et ses Dérivés

• L'air est composé à 78% d'azote (N2).
• L'azote participe à la structure de nombreuses biomolécules (acides aminés, acides nucléiques).
• L'oxyde nitrique (NO) est un second messager chimique important, notamment pour son rôle vasodilatateur.
• L'ammoniac (NH3) est un déchet toxique des acides aminés, éliminé sous forme d'urée dans les urines.