Echanges Gazeux Pulmonaires PDF

Physiologie respiratoire Chapitre 3: Echanges gazeux pulmonaires et systémiques Echanges gazeux pulmonaires et systémiques Introduction I-Principes physiques II-Pressions des gaz alvéolaires III-Echanges gazeux alvéolocapillaires (pulmonaires)...

Physiologie respiratoire Chapitre 3: Echanges gazeux pulmonaires et systémiques Echanges gazeux pulmonaires et systémiques Introduction I-Principes physiques II-Pressions des gaz alvéolaires III-Echanges gazeux alvéolocapillaires (pulmonaires) A-Membrane alvéolocapillaire B-Différences de pression partielle d’O2 et de CO2 au niveau des capillaires pulmonaires C-Lois de la diffusion D-Diffusion de l’O2 et du CO2 E -Mesure de la capacité de diffusion F-Efficacité des échanges alvéolocapillaires IV-Echanges gazeux dans les capillaires systémiques Conclusion Echanges gazeux pulmonaires et systémiques Introduction L’oxygène puisé par le système ventilatoire dans son réservoir qui est l’atmosphère doit: -traverser les membranes alvéolaires vers les capillaires pulmonaires; -être transporté par le sang dans les tissus; -quitter les capillaires tissulaires; -et finalement traverser les membranes plasmiques pour pénétrer dans les cellules où il est utilisé pour la fabrication d’énergie dans le cadre de la combustion oxydative des nutriments. L’un des déchets de cette réaction est le CO₂ qui doit suivre le chemin similaire, mais en sens inverse, et être éliminé par voie pulmonaire. Echanges gazeux pulmonaires et systémiques Echanges gazeux pulmonaires et systémiques I-Principes physiques 1-Notion de pression partielle L’air atmosphérique est un mélange de gaz. Normalement l’air contient 79% d’azote(N2), 21% d’O2, un pourcentage négligeable de CO2, de gaz rares, de polluants atmosphériques et de vapeur d’eau. Tous ensemble, ces gaz exercent une pression totale atmosphérique(Patm) de 760mmHg en moyenne au niveau de la mer. La pression totale est la somme de la pression partielle exercée par chacun des gaz constituant le mélange. Puisqu’il y a79% de molécules de N2 dans l’air, 79% des 760mmHg de Patm sont dus aux molécules de N2 et 21% des760mmHg de Patm soit 160 mmHg sont dus aux molécules de O2.  Echanges gazeux pulmonaires et systémiques I-Principes physiques 1-Notion de pression partielle La pression partielle est la pression exercée individuellement par chaque gaz(Pgaz). Selon la loi des pressions partielles de Dalton, la pression totale exercée par un mélange de gaz est égale à la somme des pressions exercées par chacun des gaz constituants et peut s’exprimer par l’équation suivante : Pression partielle d’un gaz = pression totale(PA) X concentration fractionnelle du gaz dans le mélange. Dans l’air, la PO2 = 160 mm Hg et la PCO2 = 0,23 mm Hg (négligeable) La PO2 diminue en altitude car la Patm diminue.  Echanges gazeux pulmonaires et systémiques I-Principes physiques 2-Diffusion des gaz dans les liquides Selon la loi de Henry, quand un liquide est exposé à un mélange gazeux, chaque gaz se dissout dans le liquide en proportion de sa pression partielle. Par conséquent, plus un gaz est concentré dans le mélange gazeux, plus il se dissout en grande quantité et rapidement dans le liquide. Au point d’équilibre, les pressions partielles des gaz sont les mêmes dans les deux phases. Toutefois, si la pression partielle d’un gaz est plus forte dans le liquide que dans le mélange gazeux adjacent, une partie des molécules de gaz dissoutes réintègrent la phase gazeuse.  Echanges gazeux pulmonaires et systémiques I-Principes physiques 2-Diffusion des gaz dans les liquides Il existe une différence de pression partielle entre le sang capillaire pulmonaire et le gaz alvéolaire d’une part et entre le sang capillaire systémique et les tissus d’autre part. Un gaz diffuse toujours d’une zone de forte pression partielle vers une zone de faible pression partielle. Echanges gazeux pulmonaires et systémiques II-Pressions des gaz alvéolaires: PO2 et PCO2 alvéolaires L’air atmosphérique est réchauffé à 37°C et saturé en vapeur d’eau au passage dans les voies aériennes. Cette vapeur exerce une pression partielle de 47 mm Hg qui réduit la pression partielle initiale des composantes de l’air inspiré. D’où : P gaz = (Patm – PH2O) x Fgaz Exemple : PO 2 = (760 – 47) x 0,21 PO2 ≈ 150 mmHg Echanges gazeux pulmonaires et systémiques II-Pressions des gaz alvéolaies:PO2 et PCO2 alvéolaires L’air frais inspiré se mélange au gaz restant dans les alvéoles et l’espace mort à la fin de l’expiration. Cette humidification combinée au renouvellement partiel du gaz alvéolaire (une partie de l’oxygène de l’air qui entre dans les alvéoles les quitte pour gagner les capillaires pulmonaires) est à l’origine d’une baisse de la PO2 alvéolaire qui est alors, à peu près de 105 mm Hg. Echanges gazeux pulmonaires et systémiques II-Pressions des gaz alvéolaires: PO2 et PCO2 alvéolaires L La PO2 alvéolaire varie peu pendant le cycle respiratoire et est en équilibre avec la PO2 du sang quittant les capillaires pulmonaires. Il s’ensuit que la PO2 du sang artériel reste, elle aussi, invariable de telle sorte que la quantité d’O2 sortant des capillaires pulmonaires varie peu avec le cycle respiratoire. Dans les poumons, le CO2 diffuse du sang vers le gaz alvéolaire du fait de la différence de pression partielle et est rejeté dans l’environnement lors de l’expiration. La PCO2 alvéolaire varie peu au cours du cycle respiratoire et est de 40 mm Hg. III-Echanges gazeux dans les capillaires pulmonaires: échanges alvéolocapillaires des gaz Dans les poumons, l’O₂ et le CO₂ passent à travers la membrane alvéolocapillaire de façon passive, par diffusion en phase liquide par différence de pression partielle. A-La membrane alvéolocapillaire: très fine de 0,3 à 0,5 μ, constituée de couches suivantes: -le film liquidien alvéolaire et le surfactant; -l’épithélium alvéolaire; -la membrane basale des cellules épithéliales; -l’espace interstitiel; -la membrane basale capillaire; -l’endothélium capillaire. C’est cette membrane que les gaz doivent traverser. IV-Echanges gazeux dans les capillaires pulmonaires: échanges alvéolocapillaires 1-Couche liquidienne avec surfactant 2-Epithélium alvéolaire 3-Membrane basale épithéliale Air alvéolaire O₂ Sang capillaire CO₂ 4-Espace interstitiel Globule rouge 5-Membrane basale capillaire 6-Endothélium capillaire Représentation schématique du transfert de l’O₂ et du CO₂ à travers la membrane alvéolocapillaire III-Echanges gazeux dans les capillaires pulmonaires: échanges alvéolocapillaires des gaz B-Différences de PO2 et de PCO2 au niveau des capillaires pulmonaires (voir schéma) Dans les poumons, le sang gagne de l’O2 et perd du CO2 par simple diffusion du fait de la différence des pressions partielles. Le sang entrant dans le capillaire pulmonaire par l’artère pulmonaire, est le sang veineux systémique, pauvre en O2 avec une PO2 = 40 mm Hg et riche en CO2 avec une PCO2 = 46 mm Hg. De ce fait, il y a une différence de pression partielle entre les gaz alvéolaires et le sang des capillaires pulmonaires, d’où diffusion de l’O2 vers le sang et du CO2 vers le gaz alvéolaire jusqu’à équilibre des pressions partielles du gaz alvéolaire et du sang sortant des capillaires pulmonaires (0,3-0,4 sec).  Alvéole Alvéole Po₂=105mmHg Pco₂=40mmHg Po₂ =40mmHg Pco₂=46mmHg Pco₂=40mmHg Po₂=105mmHg Système Système circulatoire circulatoire Po₂=105mmHg Po₂ =40mmHg Pco₂=46mmHg Pco₂=40mmHg Pco₂ ≥ 46mmHg Po₂ ≤ 40mmHg Tissus Tissus périphériques périphériques Echanges gazeux au niveau des alvéoles et des cellules  Les pressions gazeuses Sont exprimées en mm de Hg Po₂=105 Pco₂=40 Alvéole O₂ Veine Artère pulmonaire pulmonaire Po₂=40 CO₂ Po₂=105 Pco₂=46 Pco₂=40 Cœur Cœur droit gauche Po₂=40 CO₂ Po₂=105 Veine O₂ Pco₂=46 Pco₂=40 Artère systémique systémique Po₂ ≤ 40 Tissus Pco₂ ≥ 46 Echanges gazeux dans les poumons et les tissus III-Echanges gazeux dans les capillaires pulmonaires: échanges alvéolocapillaires des gaz C-Lois de la diffusion La diffusion d’un gaz à travers la membrane alvéolocapillaire est régie par la loi de Fick; la diffusion est proportionnelle : à la surface S de la membrane; à l’inverse de l’épaisseur e ; au gradient de pression du gaz de part et d’autre de la membrane; à la constante de diffusion K qui tient compte des caractéristiques du gaz et qui est proportionnelle à: - la solubilité du gaz dans la membrane alvéolocapillaire - l’inverse de la racine carrée de son poids moléculaire. La constante de diffusion à travers la membrane alvéolocapillaire est 20 fois plus élevée pour le CO2 que pour l’O2. III-Echanges gazeux dans les capillaires pulmonaires: échanges alvéolocapillaires des gaz C-Lois de la diffusion V° gaz = K x S (P1 - P2) e V° gaz : est le débit de gaz qui diffuse à travers la membrane alvéolocapillaire ; P1: est la pression du gaz dans l’alvéole; P2: est la pression à l’entrée du capillaire pulmonaire. III-Echanges gazeux dans les capillaires pulmonaires: échanges alvéolocapillaires des gaz D-Diffusion de l’O2 et du CO2 1- Diffusion de l’O2 -grande ΔP entre le sang qui arrive dans les capillaires pulmonaires et l’air alvéolaire ; -équilibre est atteint rapidement (0,3-0,4s). III-Echanges gazeux dans les capillaires pulmonaires: échanges alvéolocapillaires des gaz D-Diffusion de l’O2 et du CO2 2- Diffusion du CO2 -faible ΔP entre le sang veineux mêlé et l’air alvéolaire mais diffusibilité importante ; -équilibre est atteint rapidement (0,3-0,4s). K du CO2 ˃˃ K de l’O2 car la solubilité du CO2 ˃˃ à celle de l’O2. III-Echanges gazeux dans les capillaires pulmonaires E-Mesure de la capacité de diffusion Dans l’équation de diffusion, plusieurs paramètres (surface d’échange, épaisseur de la membrane et constante de diffusion) sont difficiles à mesurer individuellement: V°gaz = K x S (P1 - P2) e Pour être évalués, ils doivent donc être regroupés sous la forme d’un seul paramètre appelé « coefficient de diffusion du poumon » (DL): - on peut écrire alors : V°gaz = DL × (P1 – P2), - ou encore : DL = V°gaz / (P1 – P2), - où DL est exprimée en millilitres par minute par millimètre de mercure (ml/min/mmHg). III-Echanges gazeux dans les capillaires pulmonaires E-Mesure de la capacité de diffusion Si le gaz analysé est l’O2, P2 est difficile à mesurer, et DL ne peut être évalué facilement. En clinique, on utilise donc pour mesurer DL le monoxyde de carbone (CO) et on en déduit par le calcul la capacité de diffusion pour l’oxygène. III-Echanges gazeux dans les capillaires pulmonaires E-Mesure de la capacité de diffusion Principe de la méthode: Une petite quantité de CO est introduite dans le gaz inspiré et la pression partielle de CO(P1) mesurée par recueil de gaz alvéolaire La pression de CO dans le sang(P2) est pratiquement nulle car le CO se combine si rapidement à l’hémoglobine qu’il n’a pas le temps de constituer une pression: l’équation devient pour le CO : DLCO = V˚CO/PaCO Enfin, en mesurant le CO ventilé pendant un temps donné et en le divisant par sa pression partielle alvéolaire(PaCO),on obtient une valeur fiable de la capacité de diffusion pour le CO. III-Echanges gazeux dans les capillaires pulmonaires E-Mesure de la capacité de diffusion Principe de la méthode: On calcule alors la DLO₂ = 1,23 DLCO DLCO = 17ml/mn/mmHg chez l’adulte jeune au repos → DLO₂ =1,23×17 soit 21ml/mn/mmHg DLCO2 = 20DLO2 III-Echanges gazeux dans les capillaires pulmonaires E-Mesure de la capacité de diffusion La DLO₂ est utilisé en clinique pour rechercher une perturbation des échanges gazeux quand: -l’épaisseur de la membrane alvéolocapillaire augmente (œdème pulmonaire); -la surface de diffusion diminue(emphysème). Les échanges gazeux seront perturbés par diminution de la capacité de diffusion. Les concentrations artérielles des gaz peuvent alors être perturbés, alors que la ventilation alvéolaire est adéquate. III-Echanges gazeux dans les capillaires pulmonaires F-Efficacité des échanges alvéolocapillaires: Les échanges alvéolocapillaires dépendent de: -la ventilation alvéolaire; -la diffusion alvéolocapillaire; -la perfusion pulmonaire; -le rapport ventilation/perfusion III-Echanges gazeux dans les capillaires pulmonaires F-Efficacité des échanges alvéolocapillaires: 1-Ventilation alvéolaire: ventilation normale→ΔP entre air alvéolaire et sang → bonne diffusion. III-Echanges gazeux dans les capillaires pulmonaires F-Efficacité des échanges alvéolocapillaires: 2-Diffusion alvéolocapillaire: anomalie possible de la diffusion si modification de la surface, de l’épaisseur,… III-Echanges gazeux dans les capillaires pulmonaires F-Efficacité des échanges alvéolocapillaires: 2-Diffusion alvéolocapillaire: a-Modification de la surface modification de la surface anatomique: amputation globale(enlever une partie du poumon); modification de la surface fonctionnelle: -amputation circulatoire: arrêt de la perfusion, exemple par un caillot; -amputation ventilatoire: territoire ventilatoire mal ventilé exemple tumeur bronchique. III-Echanges gazeux dans les capillaires pulmonaires F-Efficacité des échanges alvéolocapillaires: 2-Diffusion alvéolocapillaire: b-Modification de l’épaisseur: -accumulation de fibres collagène ou de liquide dans l’interstitium; -accumulation de liquide dans les alvéoles(pathologie pulmonaire). III-Echanges gazeux dans les capillaires pulmonaires F-Efficacité des échanges alvéolocapillaires: 3-Perfusion pulmonaire: bonne perfusion→ consommation d’O₂ plus importante → échanges gazeux plus efficaces. III-Echanges gazeux dans les capillaires pulmonaires F-Efficacité des échanges alvéolocapillaires: 4- Rapport ventilation/perfusion Dans un poumon idéal la pression partielle artérielle en O₂ (PaO₂) est égale à la pression partielle alvéolaire en O₂ (PAO₂) grâce à la diffusion passive de l’ O₂ à travers la membrane alvéolocapillaire: les pressions se sont équilibrées. Dans le poumon réel normal PaO₂ < PAO₂(légèrement): PaO₂≈100mmHg et PAO₂≈105mmHg. Ce gradient alvéolocapillaire normal en O₂ est lié: - au shunt(court-circuit) anatomique; - à l’inégalité du rapport ventilation/perfusion. III-Echanges gazeux dans les capillaires pulmonaires F-Efficacité des échanges alvéolocapillaires: F-Efficacité des échanges alvéolocapillaires: Shunt sanguin anatomique Air alvéolaire PAO₂≈ 105mmHg Artère pulmonaire PvO₂≈ 40mmHg PcO₂≈ 105mmHg PaO₂≈100mmHg Capillaire Veine pulmonaire pulmonaire Veines bronchiques Veines coronaires PvO₂≈ 40mmHg F-Efficacité des échanges alvéolocapillaires: Rapport ventilation-perfusion Ventilation: Perfusion: Alvéoles distendus Pressions vasculaires plus moins compliants; basses, résistances plus ventilation moindre élevées; perfusion moindre Alvéoles non distendus Pressions vasculaires plus compliants; hautes, résistances moins ventilation plus élevée élevées; perfusion plus élevée Echanges gazeux pulmonaires et systémiques Rapport ventilation/perfusion Sommet : 1 Ventilation(VA) > Perfuion(Q) Rapport VA/Q élevé 1 Partie médiane : 2 VA = Q 2 Rapport VA/Q = 1(idéal) Base : 3 3 VA < Q Rapport VA/Q bas III-Echanges gazeux dans les capillaires pulmonaires F-Efficacité des échanges alvéolocapillaires: 4- Rapport ventilation/perfusion Facteurs responsables de la distribution du rapport VA / Q -notions de gravité et d’élasticité : poumon, structure élastique suspendue à la trachée ; -structures pulmonaires les plus étirées : sommet -compliance alvéolaire plus basse au sommet -sujet normal ; valeurs régionales 0,8˂ VA/ Q˂1,2 F-Efficacité des échanges alvéolocapillaires: 4- Rapport ventilation/perfusion Facteurs responsables de la distribution du rapport VA / Q -Sujet normal; adéquation globale entre VAet Q (rapport VA/ Q ≈ 1) - Pathologies : inadéquation ; 2 cas extrêmes : obstruction bronchique : VA / Q = 0 (zone perfusée et non ventilée) obstruction vasculaire : VA / Q = ∞ (zone ventilée et non perfusée) IV-Echanges gazeux dans les capillaires systémiques Le transfert d’O2 et de CO2 entre le sang des capillaires systémiques et les cellules des tissus se fait par simple diffusion à cause des différences de pressions partielles. Le sang artériel qui arrive dans les capillaires systémiques est pratiquement identique à celui qui sort des poumons par les veines pulmonaires : la PO2 est de 100mm Hg et la PCO2 de 40mm Hg. IV-Echanges gazeux dans les capillaires systémiques Différences de PO2 et PCO2 au niveau des capillaires systémiques: Du fait du métabolisme oxydatif, les cellules consomment de l’O2 et produisent du CO2 de façon continue: -la PO2cellulaire est d’environ 40mm Hg (elle est beaucoup plus basse dans les mitochondries, siège du métabolisme oxydatif); -la PCO2 est de 46 mm Hg (ces valeurs variables selon le niveau d’activité du métabolisme oxydatif). L’O2 diffuse alors sous l’effet de la différence de la PO2 (des capillaires systémiques vers les cellules). IV-Echanges gazeux dans les capillaires systémiques Il se passe l’inverse pour le CO2. Celui-ci diffuse rapidement hors des cellules (PCO2= 46 mmHg) vers le sang entrant dans les capillaires (PCO2 = 40mmHg) : différence de pression partielle liée à la production continuelle de CO2. Ce transfert en CO2 continue jusqu’à ce que la PCO2 du sang soit en équilibre avec celle des tissus soit 46mm Hg. Le sang veineux systémique, qui est relativement pauvre en O2 (PO2 = 40mm Hg) et riche en CO2 (PCO2 = 46 mm Hg), retourne au cœur qui le pompe vers les poumons.  Alvéole Alvéole Po₂=105mmHg Pco₂=40mmHg Po₂ =40mmHg Pco₂=46mmHg Pco₂=40mmHg Po₂=100mmHg Système Système circulatoire circulatoire Po₂=100mmHg Po₂ =40mmHg Pco₂=46mmHg Pco₂=40mmHg Pco₂ ≥ 46mmHg Po₂ ≤ 40mmHg Tissus Tissus périphériques périphériques Echanges gazeux au niveau des alvéoles et des cellules  Les pressions gazeuses Sont exprimées en mm de Hg Po₂=105 Pco₂=40 Alvéole O₂ Veine Artère pulmonaire pulmonaire Po₂=40 CO₂ Po₂=100 Pco₂=46 Pco₂=40 Cœur Cœur droit gauche Po₂=40 CO₂ Po₂=100 Veine O₂ Pco₂=46 Pco₂=40 Artère systémique systémique Po₂ ≤ 40 Tissus Pco₂ ≥ 46 Echanges gazeux dans les poumons et les tissus Echanges gazeux pulmonaires et systémiques Conclusion Les échanges alvéolocapillaires représentent la fonction essentielle de l’appareil respiratoire, ils déterminent la quantité d’O2 qui sera disponible pour les échanges gazeux tissulaires, donc pour la respiration cellulaire. Echanges gazeux pulmonaires et systémiques Echanges gazeux pulmonaires et systémiques Echanges gazeux pulmonaires et systémiques