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PSL 1993 Le système respiratoire Vincent Jacquemet Professeur titulaire Département de pharmacologie et physiologie  2 Objectifs de la leçon Décrire les composantes du système respiratoire ainsi que leurs fonctions Expliquer les pr...

PSL 1993 Le système respiratoire Vincent Jacquemet Professeur titulaire Département de pharmacologie et physiologie  2 Objectifs de la leçon Décrire les composantes du système respiratoire ainsi que leurs fonctions Expliquer les principes physiques sous-jacents : convection, diffusion, pression partielle, relation pression-volume, tension superficielle Expliquer les principes biochimiques sous-jacents : dissolution, équilibre chimique, solution tampon, catalyse, acidité, affinité Décrire les aspects mécaniques de la respiration Définir les volumes et flux respiratoires ainsi que les techniques pour les mesurer (diagnostic)  3 Objectifs de la leçon Décrire les échanges gazeux dans les poumons Expliquer les mécanismes de liaison et de transport des gaz dans le sang jusqu’en périphérie Décrire le contrôle de la respiration par le système nerveux et les boucles de rétroaction impliquées Citer quelques exemples de pathologies Donner des valeurs typiques des grandeurs physiques (seulement retenir les ordres de grandeur et les unités)  4 Structure de la leçon Section 1 Système respiratoire Voies respiratoires Section 2-3 Volumes Ventilation Poumons Section 4-5 Mécanique Compliance Section 6 Diffusion Alvéoles Capillaires Section 7-10 Circulation Transport Système Section 11 Contrôle nerveux  5 Concepts-clés A la fin de chaque section, une liste de concepts-clés est donnée Pour aider à réviser Examen : 8-9 questions à choix multiples par 3h de cours Chaque question d’examen porte sur l’un de ces concepts-clés  6 Questions / réponses Diapositives dédiées Pour rendre le cours plus interactif Pour faire des liens avec d’autres sujets ou mieux comprendre les concepts Prendre des notes Pas des questions typiques d’examen Merci Dr Gougoux  7 Référence Silbernagl-Despopoulos – Chapitre 5 : Respiration – Disponible sur Kindle – Figures tirées du livre – Pas nécessaire de l’avoir Section 1 : Système respiratoire  9 Respiration Respiration externe = échanges de gaz (O2 et CO2) entre le corps et l’environnement Deux modes de transport de gaz dans le corps – Diffusion Sur de très courtes distances (quelques µm) Échanges entre alvéoles et capillaires pulmonaires Échanges entre capillaires et tissus – Convection Sur des longues distances Le long de la trachée et dans la circulation sanguine  10 Question Comment se passe la respiration dans un organisme unicellulaire ?  12 Question Est-ce que l’oxygène peut diffuser des artères vers les tissus adjacents ?  14 Le système respiratoire 1. O2 et CO2 : même chemin en sens inverse 2. Bouche / trachée 3. Poumons 4. Alvéoles, échanges O2 et CO2 avec le sang 5. Circulation sanguine, cœur 6. Capillaires, échanges O2 et CO2 avec les tissus 7. Métabolisme (mitochondries)  15 Les poumons Fonctions – Respiration (ventilation, diffusion, circulation) – Réservoir pour une partie du sang (reçoit tout le débit cardiaque, à part la circulation bronchique) – Métabolisme (p.ex. l’enzyme de conversion de l'angiotensine) – Filtration des petits caillots de sang Structure – Env. 1 kg – Arbre bronchique (alvéoles) – Arbre vasculaire (vaisseaux sanguins) – Tissu conjonctif élastique (pour tenir et supporter l’ensemble)  16 Anatomie des poumons : arbre bronchique droite : 3 lobes gauche: 2 lobes Trachée Bronches souches (2), lobaires (5), segmentaires (18) Bronchioles (< 1 mm) Alvéoles  17 Anatomie des poumons : les alvéoles Alvéoles = sacs d’air à paroi fine situés aux extrémités de l’arbre Diamètre : 0.2-0.3 mm Nombre : 300 millions Interface avec les capillaires pulmonaires = ~100 m2 Diffusion d’O2 proportionnelle à la surface de contact  18 Purification de l’air Mucus sur les parois – nez, gorge, trachée et arbre bronchique – 10-100 mL sécrété par jour – avalé et éliminé dans l’intestin Escalator muco-ciliaire – Cils qui oscillent à 5-10/s – Remonter les particules piégées – Le tabac et certaines maladies (e.g. mucoviscidose) dégradent ce mécanisme  19 Question Pourquoi la trachée est-elle entourée d’anneaux cartilagineux ?  21 Composition de l’air inspiré/expiré Air Air expiré inspiré Air dans les alvéoles  22 Questions Pourquoi les voies respiratoires doivent-elles humidifier et réchauffer l’air inspiré ? Est-ce qu’il vaut mieux respirer par le nez ou la bouche dans ce but ?  24 Pressions partielles Pour des mélanges de gaz, on utilise les pressions partielles : la pression totale est la somme des pressions partielles de tous les composants (Loi de Dalton) Pression partielle (PX) = fraction de volume (FX) x pression totale (Ptot) Si le gaz est humide (comme l’air expiré), il faut tenir compte de la pression partielle de la vapeur d’eau La pression partielle dans un liquide est celle d’un gaz qui serait en équilibre avec ce liquide  25 Pression partielle d’O2 Air ambiant : 160 mmHg – 21% x 760 mmHg Air inspiré : 150 mmHg – Humidification (pression partielle d’H2O) Air alvéolaire et sang artériel : 100 mmHg – Dilution dans un volume pulmonaire plus grand – Diffusion dans les capillaires pulmonaires Sang veineux et tissus : 40 mmHg – Diffusion et consommation d’O2 Mitochondries : 2 mmHg  26 Pression partielle de CO2 Sang veineux et tissus : 46 mmHg – Production et diffusion de CO2 Air alvéolaire et sang artériel : 40 mmHg – Diffusion dans les alvéoles Air expiré : 33 mmHg Air ambiant : ~ 0 mmHg  27 Section 1 : Concepts-clés Diffusion et convection Voies respiratoires, poumons, alvéoles Composition de l’air inspiré, expiré et alvéolaire Pression partielles  Section 2 : Volumes et capacités pulmonaires  29 Volumes pulmonaires Volume courant (VT, tidal) = volume inspiré/expiré lors d’une respiration normale = ~ 0.5 L – Suffisant au repos, mais doit être augmenté lors de l’exercice Volume de réserve inspiratoire (IRV) = volume supplémentaire maximal qui pourrait être inspiré = ~ 3 L Volume de réserve expiratoire (ERV) = volume supplémentaire maximal qui pourrait être expiré = ~ 1.7 L Volume résiduel (RV) = volume des poumons après une expiration maximale = ~ 1.3 L – Augmenté par l’asthme bronchique ou la maladie pulmonaire obstructive chronique  30 Capacités pulmonaires Capacité = combinaison de deux volumes ou plus Capacité résiduelle fonctionnelle (FRC) = volume d’air présent après une expiration normale = RV + ERV = ~ 3 L – Ventilation alvéolaire = ~ 350 mL/cycle, ce qui fait que PO2 et PCO2 ne varient que peu dans les alvéoles Capacité vitale (VC) = volume maximal qui peut entrer/sortir en une respiration = VT + IRV + ERV = ~ 5.3 L Capacité totale (TC) = somme de tous les volumes pulmonaires = VC + RV = 6-7 L  31 Volumes pulmonaires : schéma IRV VC TC VT ERV RV  32 Mesure des volumes : spirométrie – Le sujet respire à travers un tube dans une cloche attachée à un contrepoids – Expiration : la pression cavité sous la cloche augmente et le contrepoids descend – Mesure de la variation du volume au cours du contrepoids temps Facteur correctif : loi des gaz parfaits  33 Question Pourquoi la spirométrie ne permet-elle pas de mesurer le volume résiduel ?  35 Espace mort Espace mort anatomique = volume d'air qui n’atteint pas les alvéoles = ~ 0.15 L – Cavités orale, nasale, pharynx, larynx, trachée, bronches – Peut être plus grand en cas d’utilisation d’un ventilateur mécanique ou d’un tube de plongée Espace mort fonctionnel ou physiologique = espace mort anatomique + alvéoles non fonctionnelles Fonctions de l’espace mort – Conduire l’air vers les alvéoles – Purifier, humidifier, chauffer l’air ambiant – Organe de la voix  36 Spirométrie forcée Volume expiratoire forcé (FEV1) = volume maximal pouvant être expiré en une seconde Débit maximal d’expiration = pente de la courbe  37 Application clinique Distinguer les maladies respiratoires obstructives (faible débit / forte résistance) et restrictives (peu de capacité respiratoire)  38 Question Dans quelle partie du graphique se situerait un patient avec asthme chronique ?  40 Section 2 : Concepts-clés Définition des volumes et capacités Volume résiduel Espace mort Spirométrie Section 3 : Ventilation  42 Ventilation totale Ventilation = volume par minute Échanges de gaz / besoins – Consommation d’O2 (VO2) = ~ 0.3 L/min – Élimination de CO2 (VCO2) = ~ 0.25 L/min – Ces besoins peuvent être multipliés par 10 pendant l’exercice – Quotient respiratoire (VCO2/VO2) = 0.7 - 1 Fréquence de respiration (f) = ~ 16 inspirations/min Volume courant (VT) = volume déplacé lors de chaque inspiration ou expiration = ~ 0.5 L Ventilation totale par minute (V̇E) = volume expiré par minute = VT f = ~ 8 L/min  43 Ventilation alvéolaire Ventilation alvéolaire (V̇A) = volume par minute qui atteint les alvéoles – Volume courant (500 mL) – volume de l’espace mort (150 mL) = 350 mL par cycle – 350 mL/cycle x 16 cycles/min = 5.6 L/min – Ce volume contient 21% d’O2, donc 1.2 L/min, ce qui est suffisant pour aller chercher les 0.3 L/min nécessaires (le reste est expiré) – Sinon, il faut augmenter la fréquence ou le volume inspiré Ventilation de l’espace mort (V̇D) = air qui ne contribue pas aux échanges gazeux = V̇E - V̇A = ~ 2.4 L/min  44 Effet de la fréquence respiratoire Ventilation alvéolaire (V̇A) = ventilation totale (V̇E) – ventilation de l’espace mort (V̇D) – V̇E = VE f, où f = fréquence respiratoire – V̇D = VD f, où VD = volume de l’espace mort = fixé On obtient donc : V̇A = VE f - VD f Pour augmenter la ventilation alvéolaire – Augmenter la fréquence respiratoire (f ↑) – Respirer plus profondément, augmenter le volume expiratoire (VE ↑)  45 Questions Que se passe-t-il si on respire superficiellement, c’est- à-dire plus vite (f ↑) et moins fort (VE ↓) avec VE f constant ? Que se passe-t-il si on respire à travers une longue paille ou un tuba ?  47 Troubles de la respiration Apnée = pas de respiration Dyspnée = difficulté à respirer Hypopnée = faible amplitude Hyperpnée = forte amplitude Bradypnée = basse fréquence Tachypnée = haute fréquence Hypoventilation = faible volume de CO2 expiré Hyperventilation = fort volume de CO2 expiré  48 Section 3 : Concepts-clés Ventilation totale Ventilation alvéolaire Fréquence respiratoire Troubles de la respiration Section 4 : Mécanique de la respiration  50 Gradient de pression L’air se déplace dans les voies respiratoires sous l’action d’un gradient de pression Flux d’air = différence de pression / résistance – PB = pression barométrique – PA = pression alvéolaire – Inspiration : PA < PB – Expiration : PA > PB Ces changements de pression sont causés par le mouvement du diaphragme et du thorax, provoquant une variation du volume des poumons (Vpulm)  51 Respiration au repos Inspiration – Provoqué par la contraction du diaphragme, qui s’affaisse et devient « plat » et qui gonfle le thorax – Le volume augmente, et donc la pression (PA) diminue (loi de Boyle : pV = const) – La différence de pression est PB – PA = ~ 1 mmHg – L’air entre dans les poumons (PA < PB)  52 Respiration au repos Expiration – Processus passif – Les muscles se relâchent et les poumons reprennent leur forme initiale (élasticité intrinsèque) – Le volume diminue, et donc la pression (PA) augmente – La différence de pression est PA – PB = ~ 1 mmHg – L’air sort des poumons (PA > PB)  53 Question Pourquoi a-t-on le hoquet ?  55 Question Comment peut-on expulser un corps étranger de la trachée ?  57 Respiration profonde ou forcée D’autres muscles respiratoires interviennent – Permet une respiration profonde ou rapide Inspiration – Muscles intercostaux externes + muscles accessoires Expiration – Muscles intercostaux internes – Mécanisme actif  58 Muscles intercostaux Les muscles intercostaux internes et externes se rattachent aux côtes Un effet de levier permet de déplacer les côtes  59 Question Quels sont les risques respiratoires d’une lésion de la moelle épinière au niveau C6-C7 ?  61 Respiration artificielle  62 La plèvre Pour pouvoir bouger librement, les poumons ne sont pas attachés au diaphragme et à la paroi thoracique La plèvre sépare le poumon de la paroi thoracique Plèvre pariétale et viscérale – Séparer des autres organes – Diminuer le frottement – Comme les poumons ont tendance à se contracter, la plèvre exerce une force de succion  63 La pression pleurale – Pression dans l’espace pleural (Ppl) : en général négative ~ -4 mmHg (succion qui plaque le poumon contre la paroi) – L’intensité de la succion augmente pendant l’inspiration et diminue durant l’expiration  64 Pneumothorax Pneumothorax = air qui entre la cavité pleurale Rien n’empêche la contraction du poumon (élasticité) Les deux poumons sont isolés Si une valve se forme, la pression augmente irrémédiablement  65 Section 4 : Concepts-clés Gradient de pression Mécanisme d’inspiration et d’expiration Muscles respiratoires Plèvre  66 Résumé de l’anatomie des poumons La leçon d’anatomie du Dr Robert D. Acland (University of Louisville, Kentucky) Objectif : réviser les éléments importants et faire le lien entre les schémas et les organes réels Vidéo de l’anatomie des poumons (9 min 15 s) Section 5 : Compliance pulmonaire  68 Compliance du système thorax-poumon On injecte de l’air lentement dans les poumons pour les gonfler (quasi-statique) La pression augmente, et par conséquent le volume augmente Compliance = pente de la courbe = facilité à changer le volume des poumons Faible compliance = plus d’effort pour respirer  69 Question Comment la compliance est-elle affectée en cas de fibrose pulmonaire ? Comment la compliance est-elle affectée en cas de maladie pulmonaire obstructive chronique ?  71 Question Pourquoi n’a-t-on pas PV=const comme dans la loi des gaz parfaits ?  73 Bilan des forces Résistance statique centripète – Force centripète = tendance à l’affaissement – Élasticité intrinsèque du poumon – Fibres élastiques + tension de surface du liquide tapissant les alvéoles Résistance statique centrifuge – Force centrifuge = tendance à l’expansion – Élasticité du thorax, muscles pulmonaires – Pression intrapleurale négative Résistance dynamique – Résistance au flux d’air dans les voies aériennes  74 Tension superficielle Des forces de cohésion attirent les molécules d’un liquide – Les molécules à la surface ont moins de voisins, donc une énergie de cohésion plus faible – Il y a donc un coût énergétique à se trouver à la surface Tension superficielle = tendance de la surface à se contracter – Comme si la couche de surface était élastique – L’aire de l’interface liquide-air tend à être minimale (p.ex. goutte d’eau)  75 Surfactant pulmonaire Surfactant = surface active agent Ces molécules (lipoprotéines) sont sécrétées dans les alvéoles par les pneumocytes de type II – Partie hydrophobe qui reste dans l’air – Partie hydrophile qui se lie aux molécules d’eau Elles diminuent le coefficient de tension superficielle (γ) – γ(eau) = 0.07 N/m, alors que γ(eau+surfactant) = 0.025 N/m Ainsi, le poumon a moins tendance à l’affaissement En effet, la tension superficielle apporte la plus grande contribution au repliement élastique des poumons  76 Question Quel est le lien entre le surfactant et le syndrome de détresse respiratoire du nouveau-né prématuré ?  78 Résistance dynamique Les poumons doivent lutter contre la résistance au flux d’air dans les voies aériennes – Flux d’air = différence de pression / résistance Dans la trachée et les grosses bronches – Flux turbulent, rapide (2 m/s), bruyant – Représente la plus grande partie de la résistance Aux embranchements – Flux transitionnel Dans les petites voies aériennes – Flux laminaire, très lent (0.4 mm/s dans le canal alvéolaire), silencieux  79 Facteurs affectant la résistance La bronchodilatation diminue la résistance – Relâchement du muscle lisse bronchiolaire – Par stimulation du système nerveux sympathique via des récepteurs bêta-adrénergique (exercice physique…) – Hormones : adrénaline et noradrénaline – Médicaments antihistaminiques La bronchoconstriction augmente la résistance – Constriction du muscle lisse bronchiolaire sous l’influence du système nerveux parasympathique – Histamine (libéré par réaction allergique) – Inflammation, air froid, irritants, fumée, asthme  80 Question Comment l’asthme bronchique peut-il être aggravé par un traitement pharmacologique pour des problèmes cardiaques ?  82 Section 5 : Concepts-clés Notion de compliance Résistance statique et dynamique Tension superficielle Surfactant Facteurs affectant la résistance Section 6 : Diffusion pulmonaire  84 La membrane alvéolo-capillaire Barrière extrêmement mince (0.5 µm) et de très grande surface (50-100 m2 cumulé pour toutes les alvéoles) qui sépare l’air alvéolaire et le sang capillaire pulmonaire Permet la diffusion passive de O2 et de CO2 Trois couches : – Les cellules épithéliales alvéolaires (pneumocytes type I; 95%) et des cellules qui sécrètent le surfactant (pneumocytes type II; 5%) – La membrane basale et le tissu interstitiel – Les cellules endothéliales capillaires  85 Échanges alvéolaires Les échanges gazeux entre les alvéoles et les capillaires se font par diffusion (distance de diffusion = 1-2 µm), dirigée par le gradient de pression partielle Sang veineux : 40 mmHg O2, 46 mmHg CO2 Alvéoles: 100 mmHg O2, 40 mmHg CO2  86 Temps de contact Le sang reste en contact avec le capillaire pendant ~ 0.75 s au repos et jusqu’à ~ 0.25 s pendant l’exercice C’est suffisant pour équilibrer les pression partielles La pression partielle d’O2 diminue ensuite un peu (~ 90 mmHg) à cause de shunts artério-veineux  87 Facteurs facilitant la diffusion Fort gradient de pression partielle – CO2 : 46 – 40 = 6 mmHg ; O2 : 100 - 40 = 60 mmHg Faible poids moléculaire – CO2 : 44 g/mole ; O2 : 32 g/mole Forte solubilité – CO2 est 24x plus soluble que O2 Grande surface de diffusion Petite épaisseur de membrane Bilan: le CO2 diffuse plus vite malgré un gradient de pression moins fort  88 Question Quel sera l’effet d’une fibrose pulmonaire sur les échanges de gaz ?  90 Question Comment fonctionne un éthylomètre ?  92 Déficience des échanges alvéolaires Ventilation Perfusion Diffusion  93 Section 6 : Concepts-clés Membrane alvéolo-capillaire Échanges gazeux Facteurs affectant la diffusion Déficiences des échanges gazeux Section 7 : Circulation pulmonaire  95 La circulation pulmonaire La circulation pulmonaire reçoit presque tout le débit cardiaque (un peu de sang irrigue les poumons) Elle va du ventricule droit vers l’oreillette gauche Perfusion pulmonaire Q̇ ≈ débit cardiaque = 5-6 L/min L’artère pulmonaire transporte du sang désoxygéné Les veines pulmonaires transportent du sang oxygéné C’est le contraire de la circulation systémique  96 Pression dans la circulation pulmonaire La circulation pulmonaire est un système à basse pression Pression sanguine moyenne dans les poumons – Artère pulmonaire : 15 mmHg (diastole: 8 systole 25) – Pré-capillaire : 12 mmHg – Capillaire : 10 mmHg – Post-capillaire : 8 mmHg – Oreillette gauche : 5 mmHg Différence de pression env. 10x plus faibles que dans la circulation systémique (10 vs 100 mmHg)  97 Équilibre hydrique Pour ne pas « noyer » les alvéoles, il faut garder l’eau du sang dans les capillaires (si les alvéoles se remplissent d’eau, c’est l’asphyxie) Forces responsables de la migration de l’eau (forces de Starling) – La pression hydrostatique (10 mmHg) pousse le liquide dans les alvéoles – La pression oncotique (osmotique due aux protéines plasmiques; 25 mmHg) tend à attirer l’eau dans le sang La résultante de ces forces garantit de garder les alvéoles au sec  98 Question Pourquoi un patient avec insuffisance cardiaque congestive peut-il souffrir de dyspnée intense ?  100 Résistance dans la circulation pulmonaire Débit = différence de pression / résistance Pour le même débit, la pression est 10x plus faible que dans la circulation systémique, donc la résistance est aussi 10x plus faible (vasodilatation) Pendant l’exercice, le débit peut augmenter de 5 à 25 L/min : → la résistance doit diminuer pour éviter un œdème pulmonaire aigu → vasodilatation → moins de travail pour le ventricule droit  101 Vasoconstriction hypoxique Lorsque la pression partielle alvéolaire d’O2 devient faible, un récepteur dans l’alvéole émet un signal (libération de substances vasoconstrictrices) qui déclenche la contraction du capillaire Ainsi, le débit sanguin s’adapte au débit aérien Le sang est ainsi redirigé vers des régions mieux ventilées, ce qui améliore l'oxygénation du sang Ce mécanisme aide peu lorsque toutes les alvéoles manquent d’oxygène (p.ex. altitude ; maladie pulmonaire obstructive chronique)  102 Section 7 : Concepts-clés Caractéristiques de la circulation pulmonaire Équilibre hydrique Vasoconstriction hypoxique Section 8 : Transport du CO2  104 Transport du CO2 Le CO2 est un produit du métabolisme dans les tissus périphériques Il se dissout et diffuse dans les capillaires Il est transporté sous 3 formes : – CO2 dissous – Bicarbonate (HCO3-) dans le plasma ou dans les globules rouges – Composés carbaminés (liaison avec de l’hémoglobine)  105 Dissolution du CO2 La concentration de CO2 dissous est proportionnelle à la pression partielle de CO2 Loi de Henry : [CO2] = αCO2 PCO2 – α = coefficient de solubilité = 0.225 mmol/L/kPa – P = pression partielle Représente env. 10% du transport de CO2  106 Liaisons avec le CO2 Formation de bicarbonate – Réaction : CO2 + H2O ↔ HCO3- + H+ – Catalysée par l’anhydrase carbonique afin que le temps de contact avec les alvéoles suffise (il y en a dans les globules rouges mais pas dans le plasma) – La réaction est ainsi 10,000x plus rapide – Les concentrations de bicarbonate du plasma et des globules rouges sont équilibrées par un échangeur d’anion HCO3- - Cl- qui mène à un flux de chlore (Hamburger shift) Formation du carbamate d’hémoglobine (Hb) – Réaction : Hb-NH2 + CO2 ↔ Hb-NH-COO- + H+  107 Effet du O2 sur les liaisons avec le CO2 Ces deux réactions (bicarbonate, carbamate) produisent du H+ Si on retire du H+, l’équilibre chimique de ces réactions va se déplacer vers la droite (liaison du CO2) Or l’hémoglobine est un tampon de H+ L’hémoglobine (Hb) est un acide plus faible que l’hémoglobine oxygénée (Oxy-Hb), donc il se lie plus facilement au H+ La liaison du CO2 est facilitée en périphérie car le Hb y est moins oxygéné (effet Haldane)  108 Liaison du CO2 en périphérie (2) Voie bicarbonate et (4) échangeur d’anions (6) Tampon hémoglobine (3) Voie carbamate (1) Production de CO2  109 Libération du CO2 dans les alvéoles (8) Voie carbamate (7) Voie bicarbonate  110 Courbe de dissociation du CO2 CO2 transporté vs pression partielle CO2 dissous : relation linéaire CO2 lié : courbe car Hb limité Dépend de la saturation en O2 (effet Haldane) Courbe noire : zone physiologique  111 CO2 dans le liquide céphalo-rachidien Barrière hémato-encéphalique = interface entre le sang et le liquide céphalorachidien dans le cerveau – O2 et CO2 traversent facilement la barrière – HCO3- passe difficilement Le ratio HCO3- /CO2 est associé au pH Dans le liquide céphalorachidien, il n’y a que le HCO3- comme tampon Le cerveau est donc sensible aux changements aigus de CO2 dans le sang (chémorécepteurs)  112 Augmentation aiguë de CO2 Le CO2 augmente brusquement dans le sang puis dans le liquide céphalo- rachidien (CSF) A cause des tampons dans le Tampons non bicarbonates sang, le pH diminue plus dans le CSF Des chémorécepteurs donnent le signal d’adapter la respiration  113 Augmentation chronique de CO2 Le CO2 augmente sur le long terme dans le sang et dans le liquide céphalo-rachidien (CSF) Le HCO3- a le temps de diffuser, ce qui compense le manque de tampon du CSF Le pH diminue un peu Le signal des chémorécepteurs est faible  114 Section 8 : Concepts-clés Transport du CO2 par dissolution Transport du CO2 par liaison Anhydrase carbonique Courbe de dissociation, effet Haldane Section 9 : Transport de O2  116 Transport du O2 Modes de transport – O2 dissous dans le sang – Combinaison avec l’hémoglobine dans les globules rouges Solubilité de l’O2 – Très faible : 3 mL O2/L sang à PO2 = 100 mmHg – Ne suffit pas pour vivre Hémoglobine (Hb) – Transport limité par la quantité d’hémoglobine disponible – Pour un transport d’O2 suffisant il faut PO2 = 100 mmHg et 150 g Hb/L sang  117 L’hémoglobine Fonction de l’hémoglobine (Hb) – Transporteur d’O2 – Implication dans le transport de CO2 (carbamate) – Tampon pour le pH sanguin Structure moléculaire – Tétramère : 4 sous-unités avec chacune un groupe hème (Fe(II) + porphyrine) – Chaque atome Fe peut se lier à un O2 – Oxygénation : Hb + O2 ↔ Oxy-Hb (oxyhémoglobine)  118 Question Pourquoi observe-t-on une cyanose (coloration bleue violacée) en cas d’hypoxémie ?  120 Courbe de dissociation du O2 La quantité de O2 liée au Hb dépend de la pression PO2 Saturation (capacité de transport d’O2) car Hb limité Cette capacité (dépendant de [Hb]max) ≈ 200 mL O2/L sang solubilité O2 = 1/22 x solubilité CO2  121 Question Quel est l’effet d’une augmentation de la pression partielle d’O2 dans l’air sur la quantité d’O2 transportée par le sang ?  123 Question Pourquoi l’anémie s’accompagne-t-elle de fatigue et de faiblesse ?  125 Questions Pourquoi certains athlètes s’injectent-ils de l’érythropoïétine (EPO) ? Quel en est le principal danger ?  127 Courbe de saturation en O2 Saturation en O2 = fraction de sites Hb occupés par un O2 Décalage de la courbe de saturation = changement d’affinité pour le O2 en fonction p.ex. du pH et du CO2 alvéoles périphérie  128 Facteurs favorisant la libération d’O2 pH plus acide – Le Hb se lie au H+ (effet tampon), donc est moins disponible pour se lier au O2 PCO2 sanguine augmentée – La présence de CO2 diminue le pH Température corporelle augmentée – La température change la configuration de Hb Forte concentration de DPG (2,3-diphosphoglycérate) – Activé en présence d’hypoxie – DPG se lie à Hb et diminue l’affinité pour l’O2  129 Question Que devient la courbe de saturation pendant l’exercice ?  131 Question Que devient la courbe de saturation en haute altitude ?  133 Question Pourquoi l’intoxication au monoxyde de carbone est- elle dangereuse ?  135 Autre transporteurs Myoglobine : stockage court-terme de O2 dans les muscles Hémoglobine fœtale : variante de Hb, plus d’affinité Méthémoglobine : Fe(III) à la place de Fe(II), pas de liaison avec O2 Hémoglobine : liaison avec CO, forte affinité (empoisonnement au monoxyde de carbone)  136 Question Y a-t-il plus de molécules d’O2 ou de CO2 dans le sang ?  138 Section 9 : Concepts-clés Hémoglobine Courbe de dissociation Courbe de saturation Facteurs affectant la courbe de saturation Intoxication au monoxyde de carbone  Section 10 : Transport des gaz dans les tissus  140 Respiration interne des tissus L’O2 diffuse des vaisseaux périphériques vers les tissus adjacents (distance de diffusion : 10-50 µm) Idem en sens inverse pour le CO2 qui diffuse plus vite, donc c’est l’O2 qui est le facteur limitant Aire totale d’échange gazeux ≈ 1000 m2 La diffusion suit le gradient de pression PO2 – O2 : 100 mmHg (sang) et 40 mmHg (tissu) – CO2 : 40 mmHg (sang) et 46 mmHg (tissu) La pression partielle PO2 ne doit pas descendre en dessous de 0.1 kPa dans les mitochondries  141 Consommation d’O2 Principe de Fick : V̇O2 = Q̇ ([O2]a-[O2]v) – Consommation de O2 = débit sanguin x différence artério- veineuse de O2 Demande accrue d’O2 – Augmenter Q̇ : vasodilatation – Augmenter l’extraction tissulaire d’O2 Extraction tissulaire d’O2 – EO2 = ([O2]a-[O2]v) / [O2]a = fraction d’O2 consommée – EO2 ≈ 0.04 (peau), 0.3 (cerveau), 0.6 (cœur), 0.3 à 0.9 (muscles, en fonction de la demande)  142 Réduction de l’apport en O2 (hypoxie) La cause peut se trouver à chacune des étapes : – Hypoxique : moins d’O2 arrive dans les alvéoles (p.ex. altitude ou mauvaise ventilation alvéolaire) – Anémique : faible capacité de transport dans le sang (p.ex. déficit en Fe pour l’hémoglobine) – Ischémique ou stagnante : flux sanguin réduit (p.ex. insuffisance cardiaque ou obstruction des artères) – Augmentation de la distances entre capillaires : plus de cellules sont éloignées de la source d’O2 – Cytotoxique : affection de l’utilisation de l’O2 par les mitochondrie (p.ex. empoisonnement à la cyanure)  143 Dangers de l’hypoxie Sur le cerveau – Très sensible à l’hypoxie; les cellules mortes ne peuvent généralement pas être remplacées Anoxie (absence d’oxygène) – P.ex. dû à un arrêt cardiaque/respiratoire – Facteur limitant : survie du cerveau Perte de fonction : 5 sec Perte de conscience : 15 sec Dommages irréparables : 3 min Symptôme : la cyanose – Coloration bleutée de la peau (trop d’Hb désoxygéné)  144 Section 10 : Concepts-clés Respiration interne Transport d’O2 dans les tissus Consommation d’O2 Hypoxie Section 11 : Contrôle de la respiration  146 Rôle du contrôle de la respiration Objectif : contrôler la ventilation pour maintenir – PCO2 artérielle et alvéolaire ~ 40 mmHg – pH sanguin ~ 7.4 – PO2 artérielle et alvéolaire ~ 100 mmHg Stimuli physiologiques – Baisse de PO2 ; Augmentation de PCO2 Nécessité de ce contrôle – Le métabolisme et les besoins peuvent augmenter (p.ex. exercice physique) – L’environnement peut changer (p.ex. altitude) – Parler, rire, tousser, déféquer, …  147 Composants du contrôle respiratoire Générateur du rythme respiratoire – Dans le tronc cérébral; automatisme respiratoire Messages du cerveau – Action volontaire, émotion, température, toux Chémorécepteurs – Mesure de PO2, PCO2 et pH dans le sang (périphérie) et le liquide céphalorachidien (central) Mécanorécepteurs – Mesure de la tension des muscles intercostaux – Mesure de l’activité physique dans les muscles  148 Générateur du rythme respiratoire Dans le bulbe rachidien Neurones inspiratoires et expiratoires, activés en alternance Reçoit les signaux des senseurs et contrôle l’activité des poumons  149 Chémorécepteurs L’intensité de la ventilation involontaire est déterminée par PO2, PCO2 et pH Des chémorécepteurs mesurent ces grandeurs dans l’arc aortique les carotides et le tronc cérébral Une boucle de rétroaction agit sur la ventilation pour réguler PO2 (périphérique, sang artériel), PCO2 et pH (central surtout)  150 Questions Ces chémorécepteurs sont-ils sensibles à une intoxication au monoxyde de carbone ? Et en cas d’anémie ?  152 Mécanorécepteurs Des senseurs mesurent la tension des muscles intercostaux pour réguler la profondeur de la respiration Des senseurs de tension dans la trachée et les bronches répondent à l’augmentation du volume pulmonaire et limitent la profondeur de respiration (réflexe Hering-Breuer)  153 Exercice physique Durant l’exercice physique, la ventilation augmente pour deux raisons : – Co-innervation des muscles et des centres respiratoires du bulbe rachidien – Signaux des mécanorécepteurs du système locomoteur  154 Autres senseurs et stimulants Senseurs d’irritation dans les muqueuses bronchiques – Volume pulmonaire diminue → ventilation augmente – Poussière ou gaz irritant → toux Barorécepteurs – Pression sanguine diminue → ventilation augmente Senseurs de température – Dérégulation (p.ex. fièvre) → ventilation augmente Système nerveux central – Émotions, réflexe (p.ex. éternuement), contrôle volontaire Hormones – Progestérone : grossesse → ventilation augmente  155 Section 11 : Concepts-clés Contrôle respiratoire Chémorécepteurs Mécanorécepteurs Boucle de rétroaction